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Foto del escritorDra. Cristina Iuga

Criopreservación: El Papel de la Química en la Conservación de la Vida

Actualizado: 19 jun


1. Introducción: Desafiando los límites del tiempo y la vida

1.1. ¿Qué es la criopreservación y por qué es importante?

1.2. Aplicaciones de la criopreservación en la ciencia y la medicina


2. Principios químicos detrás de la criopreservación

2.1. El agua: El elemento clave en la vida y la criopreservación

2.1.1. Propiedades únicas del agua y su comportamiento a bajas temperaturas

2.1.2. Formación de hielo y daño celular durante la congelación

2.2. Agentes crioprotectores: Los guardianes moleculares

2.2.1. Tipos de agentes crioprotectores y su funcionamiento

2.2.2. Crioprotectores permeables: Glicerol, DMSO y etilenglicol

2.2.3. Crioprotectores no permeables: Azúcares y polímeros


3. Técnicas de criopreservación: Congelando la vida

3.1. Congelación lenta: El enfoque clásico

3.1.1. Principios y procedimientos de la congelación lenta

3.1.2. Ventajas y desventajas de la congelación lenta

3.2. Vitrificación: El arte de evitar la formación de hielo

3.2.1. Fundamentos químicos de la vitrificación

3.2.2. Protocolos de vitrificación y su aplicación en la criopreservación

3.3. Criopreservación de tejidos y órganos: Desafíos y avances

3.3.1. Complejidad de la criopreservación de tejidos y órganos

3.3.2. Estrategias químicas para superar los obstáculos


4. Aplicaciones de la criopreservación: Preservando el presente para el futuro

4.1. Criopreservación de células madre: Unlocking the potential of regenerative medicine

4.1.1. Tipos de células madre y su importancia en la medicina

4.1.2. Criopreservación de células madre embrionarias y adultas

4.2. Criopreservación de gametos y embriones: La esperanza de la fertilidad

4.2.1. Criopreservación de espermatozoides y óvulos

4.2.2. Vitrificación de embriones y su impacto en la reproducción asistida

4.3. Criopreservación en la conservación de especies: Un arca para la biodiversidad

4.3.1. Bancos de recursos genéticos y su papel en la preservación de especies

4.3.2. Criopreservación de células, tejidos y gametos de especies amenazadas


5. Perspectivas futuras: Explorando nuevas fronteras en la criopreservación

5.1. Criobiología sintética: Diseñando moléculas para una mejor criopreservación

5.2. Nanotecnología en la criopreservación: Pequeñas soluciones para grandes desafíos

5.3. Criopreservación y medicina regenerativa: Reconstruyendo el cuerpo humano


6. Conclusiones: La química como guardiana de la vida

6.1. Resumen de los avances y logros en la criopreservación

6.2. Importancia de la investigación multidisciplinaria en criobiología

6.3. El futuro de la criopreservación y su impacto en la sociedad




1. Introducción: Desafiando los límites del tiempo y la vida


La vida es un fenómeno fascinante y complejo que ha cautivado a la humanidad desde tiempos inmemoriales. A lo largo de la historia, hemos buscado formas de preservar y prolongar la vida, desafiando los límites impuestos por el tiempo y la naturaleza. En este contexto, la criopreservación emerge como una herramienta revolucionaria que nos permite congelar y conservar la vida a temperaturas extremadamente bajas [1].


1.1. ¿Qué es la criopreservación y por qué es importante?


La criopreservación es una técnica que implica el uso de temperaturas ultra bajas, generalmente en el rango de -80°C a -196°C, para preservar células, tejidos, órganos o incluso organismos completos en un estado de animación suspendida [2]. A estas temperaturas, los procesos biológicos y las reacciones químicas se ralentizan significativamente, permitiendo que los materiales biológicos se conserven durante períodos prolongados sin sufrir daños significativos [3].


La importancia de la criopreservación radica en su capacidad para extender la vida útil de los materiales biológicos, lo que tiene implicaciones trascendentales en diversos campos de la ciencia y la medicina. Al preservar células, tejidos y órganos, la criopreservación abre la puerta a numerosas aplicaciones, desde la conservación de recursos genéticos hasta el desarrollo de terapias regenerativas innovadoras [4].


1.2. Aplicaciones de la criopreservación en la ciencia y la medicina


La criopreservación encuentra aplicaciones en una amplia gama de disciplinas científicas y médicas. En la biología de la reproducción, la criopreservación de gametos (espermatozoides y óvulos) y embriones ha revolucionado las técnicas de reproducción asistida, brindando esperanza a parejas que enfrentan problemas de fertilidad [5].


En el campo de la medicina regenerativa, la criopreservación de células madre ha adquirido una gran relevancia. Las células madre son células no especializadas con la capacidad de diferenciarse en diversos tipos de células especializadas, lo que las convierte en una herramienta valiosa para el desarrollo de terapias celulares y tisulares [6]. La criopreservación permite almacenar y preservar estas células madre para su uso futuro en tratamientos médicos innovadores [7].


Además, la criopreservación desempeña un papel crucial en la conservación de la biodiversidad. Los bancos de recursos genéticos utilizan técnicas de criopreservación para conservar células, tejidos y gametos de especies amenazadas o en peligro de extinción [8]. Esto permite preservar la diversidad genética y proporciona un seguro contra la pérdida irreversible de especies valiosas [9].


En resumen, la criopreservación es una técnica que desafía los límites del tiempo y la vida, permitiéndonos preservar y conservar materiales biológicos para su uso futuro. Sus aplicaciones en la ciencia y la medicina son vastas y prometedoras, desde la reproducción asistida hasta la medicina regenerativa y la conservación de la biodiversidad. A medida que continuamos explorando y perfeccionando las técnicas de criopreservación, se abren nuevas posibilidades para extender los límites de la vida y abordar desafíos científicos y médicos apremiantes.


Referencias

[1] Jang, T. H., Park, S. C., Yang, J. H., Kim, J. Y., Seok, J. H., Park, U. S., ... & Han, J. (2017). Cryopreservation and its clinical applications. Integrative Medicine Research, 6(1), 12-18. https://doi.org/10.1016/j.imr.2016.12.001

[2] Pegg, D. E. (2015). Principles of cryopreservation. Methods in Molecular Biology, 1257, 3-19. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2193-5_1

[3] Fahy, G. M., & Wowk, B. (2015). Principles of cryopreservation by vitrification. Methods in Molecular Biology, 1257, 21-82. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2193-5_2

[4] Bakhach, J. (2009). The cryopreservation of composite tissues: Principles and recent advancement on cryopreservation of different type of tissues. Organogenesis, 5(3), 119-126. https://doi.org/10.4161/org.5.3.9583

[5] Argyle, C. E., Harper, J. C., & Davies, M. C. (2016). Oocyte cryopreservation: Where are we now? Human Reproduction Update, 22(4), 440-449. https://doi.org/10.1093/humupd/dmw007

[6] Bojic, S., Volarevic, V., Ljujic, B., & Stojkovic, M. (2018). Dental stem cells - Characteristics and potential. Histology and Histopathology, 33(8), 699-706. https://doi.org/10.14670/HH-11-981

[7] Jang, T. H., Park, S. C., Yang, J. H., Kim, J. Y., Seok, J. H., Park, U. S., ... & Han, J. (2017). Cryopreservation and its clinical applications. Integrative Medicine Research, 6(1), 12-18. https://doi.org/10.1016/j.imr.2016.12.001

[8] Ryder, O. A., & Onuma, M. (2018). Viable cell culture banking for biodiversity characterization and conservation. Annual Review of Animal Biosciences, 6, 83-98. https://doi.org/10.1146/annurev-animal-030117-014556

[9] Comizzoli, P., & Holt, W. V. (2019). Breakthroughs and new horizons in reproductive biology of rare and endangered animal species. Biology of Reproduction, 101(3), 514-525. https://doi.org/10.1093/biolre/ioz031


2. Principios químicos detrás de la criopreservación


La criopreservación es un proceso complejo que se basa en principios químicos fundamentales. Para comprender cómo funciona la criopreservación, es esencial explorar el papel del agua y los agentes crioprotectores en la preservación de los materiales biológicos a bajas temperaturas.


2.1. El agua: El elemento clave en la vida y la criopreservación


2.1.1. Propiedades únicas del agua y su comportamiento a bajas temperaturas


El agua es el componente principal de las células y los tejidos biológicos, y sus propiedades únicas desempeñan un papel crucial en la criopreservación [1]. A medida que la temperatura disminuye, las moléculas de agua se ralentizan y forman enlaces de hidrógeno más fuertes, lo que conduce a la formación de hielo [2]. Este proceso puede causar daños en las estructuras celulares y comprometer la viabilidad de los materiales biológicos durante la congelación [3].


2.1.2. Formación de hielo y daño celular durante la congelación


Durante la congelación, la formación de cristales de hielo puede provocar diversos tipos de daño celular. Los cristales de hielo pueden causar la ruptura de las membranas celulares, la desnaturalización de proteínas y la desestabilización de las estructuras celulares [4]. Además, la formación de hielo extracelular puede provocar la deshidratación de las células, ya que el agua se mueve desde el interior de las células hacia los cristales de hielo en crecimiento [5]. Estos efectos combinados pueden llevar a la muerte celular y comprometer la integridad de los materiales biológicos durante la criopreservación.


2.2. Agentes crioprotectores: Los guardianes moleculares


2.2.1. Tipos de agentes crioprotectores y su funcionamiento


Los agentes crioprotectores son sustancias químicas que se utilizan para proteger las células y los tejidos durante la criopreservación [6]. Estos agentes funcionan mediante diferentes mecanismos, como la reducción del punto de congelación, la modificación de la formación de hielo y la estabilización de las membranas celulares [7]. Los crioprotectores se pueden clasificar en dos categorías principales: permeables y no permeables.


2.2.2. Crioprotectores permeables: Glicerol, DMSO y etilenglicol


Los crioprotectores permeables son moléculas pequeñas que pueden atravesar las membranas celulares y proteger las células desde el interior [8]. Ejemplos comunes de crioprotectores permeables incluyen el glicerol, el dimetilsulfóxido (DMSO) y el etilenglicol. Estas sustancias reemplazan parte del agua intracelular, reducen la formación de hielo y previenen la deshidratación celular excesiva durante la congelación [9].


2.2.3. Crioprotectores no permeables: Azúcares y polímeros


Los crioprotectores no permeables son moléculas más grandes que no pueden atravesar las membranas celulares, pero brindan protección desde el exterior de las células [10]. Ejemplos comunes de crioprotectores no permeables incluyen azúcares como la sacarosa y la trehalosa, y polímeros como el polivinil pirrolidona (PVP) y el hidroxietil almidón (HES). Estos agentes aumentan la osmolaridad del medio extracelular, lo que reduce la formación de hielo y minimiza la deshidratación celular [11].


En resumen, los principios químicos detrás de la criopreservación se basan en el comportamiento del agua a bajas temperaturas y el uso de agentes crioprotectores para mitigar los daños celulares durante la congelación. Comprender estos principios es fundamental para desarrollar protocolos de criopreservación efectivos y preservar la viabilidad de los materiales biológicos a largo plazo.


Referencias

[1] Mazur, P. (1984). Freezing of living cells: mechanisms and implications. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 247(3), C125-C142. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1984.247.3.C125

[2] Pegg, D. E. (2007). Principles of cryopreservation. Methods in Molecular Biology, 368, 39-57. https://doi.org/10.1007/978-1-59745-362-2_3

[3] Jang, T. H., Park, S. C., Yang, J. H., Kim, J. Y., Seok, J. H., Park, U. S., ... & Han, J. (2017). Cryopreservation and its clinical applications. Integrative Medicine Research, 6(1), 12-18. https://doi.org/10.1016/j.imr.2016.12.001

[4] Mazur, P. (2004). Principles of cryobiology. Life in the Frozen State, 3-65. https://doi.org/10.1201/9780203647073.ch1

[5] Muldrew, K., & McGann, L. E. (1994). The osmotic rupture hypothesis of intracellular freezing injury. Biophysical Journal, 66(2), 532-541. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(94)80806-9

[6] Fuller, B. J. (2004). Cryoprotectants: the essential antifreezes to protect life in the frozen state. CryoLetters, 25(6), 375-388.

[7] Fahy, G. M., & Wowk, B. (2015). Principles of cryopreservation by vitrification. Methods in Molecular Biology, 1257, 21-82. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2193-5_2

[8] Benson, E. E. (2008). Cryopreservation of phytodiversity: a critical appraisal of theory & practice. Critical Reviews in Plant Sciences, 27(3), 141-219. https://doi.org/10.1080/07352680802202034

[9] Bautista, J. A. N., & Kanagawa, H. (1998). Current status of vitrification of embryos and oocytes in domestic animals: ethylene glycol as an emerging cryoprotectant of choice. Japanese Journal of Veterinary Research, 45(4), 183-191. https://doi.org/10.14943/jjvr.45.4.183

[10] Meryman, H. T. (2007). Cryopreservation of living cells: principles and practice. Transfusion, 47(5), 935-945. https://doi.org/10.1111/j.1537-2995.2007.01212.x

[11] Hubálek, Z. (2003). Protectants used in the cryopreservation of microorganisms. Cryobiology, 46(3), 205-229. https://doi.org/10.1016/S0011-2240(03)00046-4








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