Відділ низькотемпературного консервування

ІСТОРІЯ ВІДДІЛУ

​У відділі розробляються теоретичні підходи та створюються  фізико-математичні теорії й моделі явища трансмембранного масопереносу та інших процесів, які відбуваються на різних етапах циклу низькотемпературного консервування. Теоретичне моделювання сформувало  основу розробок нових методів дослідження: визначення коефіцієнтів проникності мембран клітин для молекул води та кріопротекторів, визначення оптимальних режимів кріоконсервування.

​Також активно розвивався напрямок досліджень з кріоконсервування сперми риб. Організовувались експедиції в різні точки країни для проведення робіт в місцях розведення риби. Одним з головних виконавців цієї тематики був Копєйка Євгеній Федорович. Активну участь в експедиціях брали і інші співробітники відділу (Новіков О.М., Гордієнко Є.О., Бронштейн В.Л. та ін.)

Ядром відділу низькотемпературного консервування в подальшому стала Лабораторія теоретичних основ низькотемпературного консервування, створена у відділі у 1985 році у складі: Розанов Л.Ф. (керівник лабораторії), Гордієнко Є.О., Бронштейн В.Л., Ісерович П.Г., Ішков Г.С., Кулешова Л.Г., Гордієнко О.І., Кулєшова Л.Г., Стусь Л.К., Нєкоз І.О., Крикунов В.В., Куракса В.М., Смольянінова Є.І., Коваленко І.Ф., Македонська В.О.,

В лабораторії проводились послідовні теоретичні дослідження механізмів кріопошкодження біологічних об’єктів, розроблялись теоретичні підходи до вирішення задач консервування живих клітин при низьких температурах. 

З 1995 року відділом низькотемпературного консервування керував доктор біологічних наук, професор Гордієнко Євген Олександрович.

Основні напрямки наукових досліджень під керівництвом Є.О. Гордієнко – теоретичний аналіз і експериментальне вивчення причин і механізмів кріопошкодження та кріозахисту клітин для розробки і удосконалення технологій тривалого зберігання біологічних об’єктів у життєздатному стані. Розробляються і досліджуються фізико-математичні теорії та моделі явища трансмембранного масопереносу, процесів, що відбуваються на різних етапах циклу низькотемпературного консервування: пригнічення процесів активаційного типу в середовищах з високою в’язкістю; латеральне розділення компонентів клітинної мембрани, деформованої згинанням або ізотропним натягом; гіпертонічний кріогемоліз та постгіпертонічний гемоліз; механічна взаємодія зростаючих кристалів льоду з клітинами в суспензії, що заморожується. 

Теоретичне моделювання біологічних процесів лягло в основу розробок нових методів дослідження. На підставі створених теоретичних моделей були розроблені експериментальні методи визначення коефіцієнтів проникності мембран клітин для електрично нейтральних речовин, розподілу еритроцитів за індексом сферичності, коефіцієнта теплового розширення мембран еритроцитів.

В 2007 році в рамках державної програми модернізації парка наукового обладнання НАН України був придбаний мікроскоп LSM 510 META, на базі якого створено центр колективного використання. Роботу на мікроскопі курує ст.н.с. відділу НТК к.б.н. Коваленко І.Ф.

З 2015 року відділом керує доктор фізико-математичних наук, професор О.І. Гордієнко.

З 2021 р. у відділі виконується науково-дослідна тема НАНУ «Теоретичне та експериментальне дослідження електричних характеристик клітинних мембран на етапах кріоконсервування та їх взаємозв’язку зі здатністю клітин до адгезії на плоских поверхнях та в об’ємних конструкціях»

НАПРЯМИ НАУКОВОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Основні напрямки наукових досліджень відділу – теоретичний аналіз і експериментальне вивчення причин і механізмів кріопошкодження та кріозахисту клітин для розробки і удосконалення технологій тривалого зберігання біологічних об’єктів у життєздатному стані. Розробляються і досліджуються фізико-математичні теорії та моделі явища трансмембранного масопереносу, процесів, що відбуваються на різних етапах циклу низькотемпературного консервування. Теоретичне моделювання біологічних процесів лягло в основу розробок нових методів дослідження. На підставі створених теоретичних моделей були розроблені експериментальні методи визначення коефіцієнтів проникності мембран клітин для електрично нейтральних речовин, розподілу еритроцитів за індексом сферичності, коефіцієнта теплового розширення мембран еритроцитів. Розроблена фізико-математична модель трансмембранного переносу речовин, яка враховує трансмембранний переніс основних іонів та пов’язані з цим зміни трансмембранного потенціалу. Розрахунки на основі цієї моделі дають більш точні значення коефіцієнтів проникності мембран клітин для молекул води та кріопротекторів. Модель дає змогу визначити динаміку трансмембранного потенціалу клітини та тривалість перебування мембрани під впливом зміненого електричного потенціалу під час еквілібрації в розчинах кріопротекторів. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено новий підхід до вирішення проблеми оптимізації умов заморожування біологічних об’єктів. Сформульовано кількісну модель кріоушкоджень клітин на етапі кристалізації, яка дає можливість визначити оптимальні умови їх охолодження, спираючись на невелику кількість даних про транспортні та геометричні параметри цих клітин. Побудовано алгоритм оцінки значення оптимальної з точки зору двофакторної теорії кріоушкоджень швидкості охолодження суспензії клітин на етапі її кристалізації. Запропоновано теоретичний підхід до кріоконсервування багатоклітинних сфероїдів з використанням фізико-математичного моделювання. Сфероїд при цьому розглядається як цілісний об’єкт in toto, а інтегральні характеристики, що визначають часові параметри масообміну між сфероїдом і середовищем, як аналоги коефіцієнтів проникності мембран окремих клітин. На підставі імовірнісної фізико-математичної моделі та з урахуванням визначених інтегральних характеристик сфероїдів визначається оптимальна швидкість їх охолодження.

Тематика відділу

Головні напрямки роботи відділу фундаментальні теоретичні дослідження причин і механізмів кріоушкоджень і кріозахисту на клітинному рівні. Розробляються і досліджуються фізико-математичні теорії та моделі явища трансмембранного масопереносу, а також процесів, що відбуваються на різних етапах циклу низькотемпературного консервування:

• інгібування процесів активаційного типу в середовищах з високою в’язкістю;
• латеральний поділ компонентів клітинної мембрани, деформованих вигином або ізотропним натягом;
• гіпертонічний кріогемолізу; кристалізаційний гідроліз;
• механічна взаємодія зростаючих кристалів льоду з клітинами в замораживаемой суспензії. 

На підставі сучасних уявлень про фізичні принципи життєдіяльності клітин вперше сформульована і фізично обгрунтована базова теоретична модель ендоцитозу, що описує загальні для різних типів цього явища закономірності. Виходячи з побудованої моделі ендоцитозу, пояснені і розглянуті деякі закономірності цього явища. Теоретично встановлено механізм сполучення між скалярними біохімічними реакціями, які протікають в цитоплазмі клітин в режимі автоколивань релаксационного типу, і векторних процесів перенесення позаклітинних речовин всередину клітин. 

Отримано вираз для джерела ентропії в багатокомпонентному розчині з урахуванням рівнянь руху його окремих компонентів і отримані співвідношення між транспортними характеристиками клітинних мембран і коефіцієнтами тертя між окремими компонентами для рухомої мембрани довільної форми [ 5,6 ]. Теоретичні дослідження поєднуються з експериментальними спостереженнями за процесом заморожування-відтавання клітинних суспензій з використанням спеціальних приставок до світлового мікроскопу.

У відділі розроблено унікальний кріомікроскопіческій комплекс для візуального вивчення в широкому температурному діапазоні кінетики фізико-хімічних процесів, що супроводжують заморожування-відігрівання біологічних об’єктів, кінетики осмотичної поведінки клітин на різних етапах кріоконсервування, проникності клітин для кріопротекторів і води . Теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено новий підхід до вирішення проблеми оптимізації умов заморожування біологічних об’єктів. Сформульовано кількісну модель кріоушкоджень клітин на етапі кристалізації, яка дає можливість визначити оптимальні умови їх охолодження, спираючись на невелику кількість даних про транспортні та геометричні параметри цих клітин. Побудовано алгоритм оцінки значення оптимальної з точки зору двофакторної теорії кріоушкоджень швидкості охолодження суспензії клітин на етапі її кристалізації. 

Проводяться дослідження по визначенню модуля зсуву мембран еритроцитів , особливостей трансформації еритроцитів в різних середовищах, дилатометричні дослідження фазово-структурних перетворень в кріопротекторних середовищах, клітинних суспензіях і тканинах в області низьких температур. Розроблено експериментальний метод швидкого визначення коефіцієнтів проникності мембран еритроцитів для електрично нейтральних речовин і розподілу еритроцитів в популяції за індексом сферичності , заснований на вимірюванні інтенсивності розсіяного клітинами світла. Показана діагностична ефективність для диференціації нормальних і патологічних змін в крові, зокрема, при гіпер- і гіпотиреозі, а також при цукровому діабеті. Вивчено механізми проникності мембран еритроцитів для низки речовин і встановлені закономірності функціонування паралельних шляхів їх проникнення через ліпідний биослой і білкові канали певного розміру. Визначено фактори, що впливають на проникнення молекул тим чи іншим шляхом. Вивчені та систематизовані теплофізичні властивості кріопротекторів та термодинамічні аспекти їх кристалізації .

Проводяться дослідження електричних властивостей клітинних мембран та їх роль і змінення на етапах кріоконсервуання.Розроблена фізико-математична модель трансмембранного переносу речовин, яка враховує трансмембранний переніс основних іонів та пов’язані з цим зміни трансмембранного потенціалу. Розрахунки на основі цієї моделі дають більш точні значення коефіцієнтів проникності мембран клітин для молекул води та кріопротекторів. Модель дає змогу визначити динаміку трансмембранного потенціалу клітини та тривалість перебування мембрани під впливом зміненого електричного потенціалу під час еквілібрації в розчинах кріопротекторів.

Запропоновано теоретичний підхід до кріоконсервування багатоклітинних сфероїдів з використанням фізико-математичного моделювання. Сфероїд при цьому розглядається як цілісний об’єкт in toto, а інтегральні характеристики, що визначають часові параметри масообміну між сфероїдом і середовищем, як аналоги коефіцієнтів проникності мембран окремих клітин. На підставі імовірнісної фізико-математичної моделі та з урахуванням визначених інтегральних характеристик сфероїдів визначається оптимальна швидкість їх охолодження.

У 2016-2020 рр. у відділі виконувалась держбюджетна фундаментальна  науково-дослідна робота «Встановити механізми та створити фізико-математичну теорію кріопошкодження клітин під дією електричних напруг, які виникають при низькотемпературному консервуванні клітинних суспензій»З 2021 р. виконується науково-дослідна робота «Теоретичне та експериментальне дослідження електричних характеристик клітинних мембран на етапах кріоконсервування та їх взаємозв’язку зі здатністю клітин до адгезії на плоских поверхнях та в об’ємних конструкціях» 

НАУКОВО-ДОСЛІДНІ РОБОТИ

• Теоретичне обґрунтування та експериментальне підтвердження способів підвищення адгезійної спроможності клітин до і після кріоконсервування шляхом модифікації фізико-хімічних характеристик підложки та поверхні клітинних мембран (№ІІІ-6-06, шифр 2.2.6.60, номер державної реєстрації 0111U001198). Термін виконання 2011–2015 рр.
• Встановити механізми та створити фізико-математичну теорію кріопошкодження клітин під дією електричних напруг, які виникають при низькотемпературному консервуванні клітинних суспензій (№ ІІІ-28-16, Шифр 2.2.6.100, номер державної реєстрації 0116U003490). Термін виконання 2016–2020 рр.
• Теоретичне та експериментальне дослідження електричних характеристик клітинних мембран на етапах кріоконсервування та їх взаємозвʼязок зі здатністю  клітин до адгезії на плоских поверхнях та в обʼємних конструкціях (№2.2.6.135, номер державної реєстрації 0121U108756). Термін виконання 2021–2025 рр.

ШТАТ ВІДДІЛУ

КОНТАКТНА ІНФОРМАЦІЯ

Ольга ГОРДІЄНКО
e-mail: info@cryonas.org.ua
Моб.: +38 (096) 332-77-21