Як кріобіологія змінює медицину та готує нас до космічних подорожей. Інтерв’ю з кріобіологинею Наталею Труфановою

Наталя Труфанова — кріобіологиня, кандидатка біологічних наук та старша дослідниця Інституту проблем кріобіології і кріомедицини НАН України у Харкові. Досліджує вітрифікацію та нові методи, що дозволяють зберігати клітини без заморожування за кімнатної температури. У вільний час Наталя читає лекції для дітей на YouTube-каналі Science Kids. 

SPEKA поспілкувался з Наталею Труфановою про те, чим займається сучасна кріобіологія, який її зв’язок із медициною та харчовою промисловістю, чому кріоніка — не наука та як ввести астронавтів у стан сплячки для довгих космічних місій. 

Я впевнена, що багато біологів скажуть, що їхня любов до біології почалася ще у дитинстві. У мене так само. Мабуть, у тих, хто любить біологію, ця пристрасть вже закладена змалечку. 

Спочатку захоплення викликали телевізійні програми про океан, як-от серіал «Одіссея команди Кусто». Я тоді також багато читала. Пам'ятаю захоплення романами Жуля Верна, зокрема його «П'ятнадцятирічний капітан». Однією з книг, яка справила на мене особливо сильне враження, була «Народжена вільною» Джой Адамсон про левицю Ельсу. Після прочитання ми з подругою мріяли стати натуралістами, працювати в Африці у національному парку. 

Окремий аспект перебування у науковій установі — це спілкування з науковцями. Мене захоплював магічний світ наукової установи, здавалося, наче я потрапила в реальну версію серіалу «Теорія великого вибуху» — атмосфера була насичена гумором, цікавими ідеями. А ще певна магія низькотемпературного банку — трішки похмурого, оскільки розташований у підвалі, з клубами пари азоту та величезними сховищами. 

Я занурилась в роботу зі стовбуровими клітинами, дослідження особливостей їхнього обміну речовин, пошук шляхів їх зберігання. Я займалася вивченням різних біохімічних параметрів і зрозуміла, що хочу продовжувати. Після цього вступила до аспірантури, і відтоді кріобіологія не відпускає мене.

Кріобіологія — це галузь біологічної науки, яка досліджує вплив холоду на біологічні системи різного рівня організації — від субклітинних структур, як-от мембрани, ядра, мітохондрії, до клітин, тканинно-інженерних конструкцій, органів і навіть цілих організмів. А також шукає шляхи захисту від пошкоджувальних чинників холоду.

Хочеться ще додати, що ще вчені розуміють під поняттям «холод». До «холоду» вони зараховують температуру, яка є нижчою, ніж фізіологічна норма для того чи іншого об’єкта. Це можуть бути і температури вище нуля за шкалою Цельсія, так звані позитивні, але нижчі за фізіологічну норму організму.

Кріобіологія — це молода наука, термін ввели тільки у 1964 році, але результати роботи у цій галузі вже докорінно змінили можливості багатьох сфер діяльності людини — медицину, сільське господарство, харчову промисловість. Також можуть бути корисними для космічних подорожей.

Збереження живого

Перший практичний напрям кріобіології — це збереження життєздатних та функціонально активних клітин, тканин, органів, частин рослин, репродуктивних клітин людей на тривалий час за дуже низьких температур або на короткотривалий період за позитивних температур, нижчих за фізіологічну.

Розробка технологій кріоконсервування

Тісно з напрямом збереження пов’язане власне розроблення протоколів. Це підбір оптимальних режимів охолодження та відігрівання, пошук найбільш ефективних кріопротекторів (кріозахисних речовин) — речовин, які мінімізують розмір кристалів льоду та захищають клітини від пошкоджень. 

Дослідження механізмів розвитку стійкості (адаптації) до холоду

Також вчені-кріобіологи досліджують, як можна підвищити стійкість до холоду. Цього року на потужній і досить важливій для кріобіологів конференції CRYO 2024 представили доповідь про те, що вплив стресових чинників — нагрівання, оброблення перекисом водню тощо — як на риб і нематод, так і на нирки підвищує здатність витримати контакт з дуже високими концентраціями кріопротекторів. 

Пошук підходів до кріоконсервування клітин організмів, які не переносять холод

Деякі морські, тропічні організми дуже важко кріоконсервувати, але створення технологій їхнього зберігання важливе для розвитку аквакультури, для збереження біорізноманіття та видів, що зникають..

Космічні дослідження

Виживання організмів в екстремальних умовах — ще один напрям, який може бути цікавий для космічних технологій. 

Я цього року брала участь у багатьох конференціях, і вони наче відображають мейнстрим. На конференції SLTB 2024 була доповідь астробіолога, який займається пошуком температурних меж життя для потенційного існування на інших планетах. Він тестував модельні мікроорганізми з Землі, щоб зрозуміти, як вони реагують на різні температури.

Кріомедицина 

Кріомедицина — «сестра» кріобіології. Ця галузь вивчає ефективність кріоконсервованих клітин, тканин та органів для відновлення пошкоджень організму та лікування захворювань, шукає способи застосування холоду в лікуванні. Це і зупинка серця шляхом охолодження тіла, що відкрила можливість проведення операцій на відкритому серці, і кріодеструкція пухлин.

Підписуйтеся на наші соцмережі

Кріобіологія надзвичайно широка, напрями її досліджень можна продовжувати перелічувати ще довго.

Розробка протоколу вітрифікації

Темою моєї дисертаційної роботи була розробка протоколу вітрифікації. Зазвичай об’єкти кріоконсервують через повільне охолодження. При цьому утворюються кристали льоду, тож потрібно підбирати оптимальні швидкості для безпечного кріоконсервування.

Вітрифікація — це альтернативний підхід до кріозберігання, коли використовують високі концентрації кріопротекторів, які самі по собі є токсичними, але контакт із ними триває лише кілька секунд або хвилин. Швидке охолодження відбувається через занурення у рідкий азот, завдяки чому клітинна система застигає в аморфному стані, подібному до скла. Звідси й назва — вітрифікація, наче склування. 

Збереження тканинно-інженерних конструкцій із мезенхімальними стовбуровими клітинами (МСК)

Ще одним моїм напрямом є збереження тканинно-інженерних конструкцій із МСК за температури навколишнього середовища, тобто 22 градуси. Це особливо цікаво, адже кріозахисні речовини й сам процес охолодження та відтавання можуть мати шкідливий вплив на клітини. Є дослідження, що демонструють зміни в епігенетичних налаштуваннях геному стовбурових клітин навіть тоді, коли клітини добре виживають після заморожування. Для застосування у клінічній практиці це може бути проблемою, вплив на геном бажано мінімізувати.

Зберігання без заморожування останнім часом привертає увагу науковців та практиків через низку переваг: зручність, оскільки не потрібен рідкий азот для зберігання, не потрібне спеціальне дороге обладнання, відсутність контакту з кріозахисними речовинами, які є токсичними і змінюють властивості клітин, відсутність кріопошкоджень (кристалами льоду, ефекту розчинів). 

Тобто, якщо треба зберігати об’єкт протягом короткого часу, достатнього для транспортування та тестування зразків, зазвичай це 3-7 діб — зберігання без заморожування може стати методом вибору. Але ці технології ще не розроблені, не досліджені повною мірою, тому важливо проводити наукову роботу зі створення конкретних протоколів для збереження різних об’єктів і оцінювати їхню ефективність. 

Розкажіть більше, як це працює. 

Короткострокове зберігання без заморожування відрізняється від кріоконсервування відсутністю етапів заморожування і відігрівання, а отже, не потребує використання кріопротекторів. 

Ці конструкції виявилися дуже ефективними для збереження клітин. У США є вимоги FDA до клітинної терапії, зокрема, життєздатність клітин має бути не нижче 70%. Якщо клітини зберігаються у вигляді суспензії, то вже на третю добу їхня життєздатність суттєво знижується — стає нижчою за 70%, а у складі тривимірних конструкцій є значно вищою. Нашій команді вдалося з’ясувати, що у складі всіх досліджуваних тривимірних конструкцій клітини можна таким чином безпечно зберігати до 7 діб. 

Ми також виявили ознаки переходу клітин у стан спокою в деяких тривимірних конструкціях, що є вірогідним підґрунтям розвитку стійкості до подальшого зберігання. 

Наприклад, наша робота «Bioengineering of MSC-based 3D constructs with different types of cell organization» потрапила до десятки найкращих постерних доповідей на конференції The 1st International Online Conference on Bioengineering 2024. Тепер я надсилатиму їм презентацію цього постера. Це вже приємно, що з 64 робіт ми потрапили до десятки фіналістів.

Розповідали про різні цікаві речі. Зокрема, про те, що сучасні технології охолодження продуктів спрямовані на те, щоб зменшити утворення великих кристалів льоду, які руйнують текстуру продукту.

Тому зараз у харчових технологіях або використовують спеціальні речовини, які поліпшують структуру продукту після розморожування, або ж налаштовують процес так, щоб кристали були меншими.

На вебінарі демонстрували заморожування свіжих ягід, фруктів, помідорів, овочів. Після розморожування ці продукти майже повністю зберігали свої властивості, були дуже схожими на свіжі. Цей підхід підходить і для зберігання м’яса, риби та інших продуктів.

Регенеративна медицина

У кріомедицині можна виділити кілька основних напрямів. По-перше, це використання кріоконсервованих біологічних зразків та клітин для клітинної терапії, органів для відновлення пошкоджених тканин, а також заміщення уражених органів.

Або є банки пуповинної крові. Пуповинна кров містить стовбурові клітини, які можуть бути використані для лікування різних захворювань.

Лікування холодом

Окремий напрям — лікування холодом. Наприклад, є метод кріодеструкції пухлин, тобто їх руйнування за допомогою холоду. Завдяки циклам заморожування й відтавання клітини пухлини руйнуються. Цей метод перспективний з погляду знищення клітин пухлини ще й завдяки тому, що зруйновані клітини вивільняють частки, які імунна система може розпізнати та активувати імунну відповідь. 

Репродуктивна медицина

Ще один важливий напрям — репродуктивна медицина, де досягнення кріобіології мають велике значення. Мій улюблений метод — вітрифікація — зараз є вибором для зберігання яйцеклітин та ембріонів на ранніх стадіях розвитку. 

Завдяки кріобіології ми маємо можливість зберігати ці зразки для пацієнтів, особливо для тих, хто проходить через технології екстракорпорального запліднення, коли є потреба зберегти матеріал для наступного циклу, якщо вагітність не настала з першого разу. 

Є багато досліджень, що підтверджують ефективність цього методу для збереження важливих функцій організму. І це також заслуга кріобіології.

Кріоніка викликає неабиякий інтерес, адже дає надію на те, що людина може ожити у майбутньому. Ідея кріоніки в тому, аби зберігати тіло або мозок людини на невизначений час, аж до того моменту, коли медицина досягне необхідного рівня розвитку і з’являться технології, здатні відновити тіло або мозок та повернути його до життя. Але треба наголосити, що кріоніка — це не наука!

По-перше, натепер немає жодних наукових доказів того, що заморожені організми можуть бути успішно відроджені без значних пошкоджень.

По-друге, кріоніка не відповідає основним критеріям наукового методу, оскільки неможливо проводити контрольовані експерименти на людях. Наукові дослідження ґрунтуються на певних протоколах. Експеримент планується таким чином, що будь-хто може повторити його та отримати ті самі результати. Тобто науковим вважають експеримент, який прописаний, задокументований і який можна відтворити й перевірити. Кріоніка не має підтвердженої методології, тому її не можна вважати науковим напрямом.

До того ж мені не подобається, що це коштує великих грошей і широко рекламується. Кріоніка більше схожа на комерцію. Фундаментальна наука, навпаки, фінансується некомерційними організаціями і є загальнодоступною. Кріоніка, здається, більше нагадує бізнес, що продає людям надію. 

Отже, кріоніка — це цікава, але вкрай суперечлива ідея, яка більше нагадує наукову фантастику або систему вірувань, ніж науку. Незважаючи на технологічний прогрес, натепер немає жодних підстав вважати, що заморожені люди зможуть бути успішно відроджені.

Наприклад, на лекціях у Science Kids я показувала роботу групи Джона Бішофа з Університету Міннесоти. Вони вітрифікуювали нирки, зберігали їх, відігрівали, видаляли кріопротектори, а потім трансплантували лабораторним тваринам. І ті виживали з такими органами. Це науково демонструє, що можливо зберегти орган і відновити його функціональність.

Нирка — орган надскладної структури, і на сьогодні це, можливо, чи не найбільш вражальних прикладів успішної кріоконсервації органів.

З мозком ситуація набагато складніша. Ми знаємо, що у випадку травми мозку окремі його частини можуть залишатися функціональними, але свідомість або пам'ять можуть бути повністю втрачені — саме те, що робить людину особистістю. Тож питання, чи можна зберегти мозок і відновити особистість, яка була до смерті, стоїть на межі науки й етики.

Навіть у людей, які пережили серйозні травми, часто відбуваються такі зміни у мозку, що вони вже не є тими, ким були раніше. 

Окрім того, постають етичні питання: хто буде доглядати за такими людьми, якщо їх «повернуть до життя» через сотні років, коли їхніх родичів уже не буде?

Кріоніка порушує дуже багато таких питань. Це, звісно, мій скепсис як науковця. З іншого боку, я розумію, що багато технологій, які зараз існують, ще 25 років тому здавалися фантастикою. Можливо, колись з’явиться можливість записати особистість людини, всі спогади й особливості на чип і перенести їх, що зробить кріоніку зайвою. Тоді, можливо, людина зможе існувати у вигляді цифрової копії. Технології розвиваються дуже швидко, ми живемо у вкрай цікавий період, тому будемо спостерігати, як усе розвивається.

На мій погляд, усе, що натепер існує у кріобіології, усі технології дуже корисні для розвитку космічних технологій, так званих SpaceTech. 

Розглянемо цю тему поетапно. Перший аспект — це харчова промисловість. Астронавти під час довгих місій потребують свіжих продуктів, ліків та біологічних матеріалів для досліджень. Кріоконсервування дозволить зберігати їх у замороженому стані, забезпечуючи свіжість та ефективність.

Якщо мова піде про колонізацію, наприклад, Марсу, куди політ може тривати понад 500 днів, потрібно буде взяти з собою значний запас всього необхідного. Політ сам по собі довгий, а для колонізації астронавтам знадобляться ресурси для тривалого перебування.  Для створення самодостатніх колоній на інших планетах знадобиться транспортувати велику кількість біоматеріалу. 

Це й рослини, які вони зможуть вирощувати для харчування. Наприклад, можна взяти насіння або частини рослин і створити «заморожений сад-город», який потім розгорнуть на Марсі.

Щодо тварин, то їх складніше транспортувати, але можна взяти кілька племінних особин та заморожені репродуктивні клітини, що дозволить зберегти біорізноманіття і створити ферму на новому місці.

Також варто враховувати, що у космосі астронавти можуть зазнавати ризиків, які призведуть до пошкодження тканин чи органів. Тому наявність законсервованих зразків тканин або тканинно-інженерних конструкцій може бути дуже корисною для відновлення. Сьогодні вже успішно вітрифікують частини суглобів і навіть судини, і це можна використати у космічних місіях. 

Якщо використовувати наукові терміни, то планується дослідити і розробити спосіб введення астронавтів у гіпометаболічний стан — торпор. У природі розвиток торпору є підґрунтям гібернації. Це зниження активності обміну речовин і суттєві зміни його налаштувань, тобто пригнічення метаболічних шляхів, які задіяні у період активності тіла, і активація інших метаболічних шляхів. При цьому також знижується температура тіла. 

Деякі тварини здатні впадати у стан гібернації, чи торпору. Вони готуються до цього заздалегідь. Досі не вдалося знайти специфічних генів, відповідальних за цей процес. Це цікаво, адже споріднені види можуть мати різні здібності: миші впадають у торпор, а для щурів таких випадків не зафіксовано.

Тому виникла ідея, що можливо розробити протокол для введення людини у подібний стан — поступова підготовка через корекцію дієти і зниження кількості калорій, зниження температури навколишнього середовища, оптимальне співвідношення циклів активності та сну разом із фармакологічним супроводженням, що буде налаштовувати нервову та ендокринну системи, як планується, дозволять ввести людину в стан торпору.

Зараз це більше на стадії аналізу наявних даних, але у майбутньому можливі експерименти. Поки що таких випадків для людей не зафіксовано, і це одна з причин, чому ми ще не застосовуємо сплячку.

Переваги очевидні — економія ресурсів, необхідних для успішної космічної місії, зниження психічного і фізичного навантаження на астронавта, крім того, перебування у гіпометаболічному стані забезпечує захист від впливу опромінення, що край важливе у космосі.

Проведені дослідження показали, що тварини у торпорі краще захищені від опромінення. Це пов'язують із роботою мітохондрій. У нормальному стані вони продукують активні форми кисню, за впливу опромінення утворення активних форм кисню може набувати неконтрольованого розвитку, що може пошкоджувати клітини. У стані торпору мітохондрії теж «сплять» — їхня робота тимчасово не потрібна й вони відключаються. Це ще одна потенційна перевага такого стану для людини, адже зменшення активних форм кисню може знизити пошкодження клітин.

Але поки що не було випадків введення людини у стан торпору. Ризики перебування у стані торпору також не відомі. Ідея введення людини у гіпометаболічний стан є амбітною і в разі успіху дозволить зробити прорив в освоєнні Сонячної системи.

Підписуйтеся на наші соцмережі