Вы здесь

Электрические и магнитные поля в криоконсервации

Абстракт

Метод разогревания (размораживания) с применением электромагнитных полей давно разрабатывается в криобиологии как предпочтительный метод для восстановления больших объёмов тканей после криоконсервации, в особенности после криоконсервации с витрификацией. Не столь хорошо известно, что электромагнитные поля могут воздействовать на кристаллизацию льда в процессе криосохранения посредством нетермальных механизмов. И теория, и опубликованные данные указывают на то,  что при определённых условиях статические и осциллирующие электрические поля могут соответственно усиливать или ослаблять кристаллизацию. Для магнитных полей данные не столь убедительны. Особо стоит вопрос о последних заявлениях, что статические магнитные поля меньшего параметра, чем 1 mT, могут улучшать криосохранение при замораживания.

Продолжение исследования той же группы учёных.

В научной литературе и в прессе в последнее время было несколько статей о применении в криобиологии морозильных боксов (камер) CAS (‘‘Cell Alive System’’) («Системы живой клетки») компании «ABI Corporation Ltd.» (Abiko, Japan). В 2010 году в «Криобиологии» появилось сообщение об открытиях Каку

и его группы, которые использовали морозильник для производства очень слабых магнитных полей во время замораживания клеток и тканей периодонтальной связки (PDL) в 10-процентном диметил сульфоксиде [9).

Было отмечено увеличение выживаемости клеток и гистологии тканей по сравнению с контрольными клетками, криосохранёнными без магнитного поля. В последующем за этим исследовании в 2011 году той же самой группы в «Криобиологии» были отмечены благоприятные сравнения между замороженной и размороженной тканью  PDL и незамороженными образцами, и клинические результаты после трансплантации зубов, криосохранённых в результате процесса  CAS (1) вновь с использованием очень слабого магнитного поля ((0.01 mT).  В других работах высказывалась мысль о том, что повреждения кристаллами льда можно было бы уменьшить, «немного намагнитив» во время замораживания все ткани яичников без криопротектора ([24,14].

В 2008 году в журнале «Форбс» сообщалось, что 47 исследователей проводили эксперименты с технологиями замораживания по сохранению человеческих органов (11).

Предложенное применение магнитных полей для улучшения криоконсервации с замораживанием вызывает много вопросов. Чтобы их предупредить, предлагается краткий обзор того, что  известно о воздействиях электрического и магнитного полей на формирование кристаллов льда.

Электрические поля и кристаллизация

Молекулы воды обладают характерным для них электрическим диполярным моментом,  благодаря чему вода является диэлектриком. При приложении электрического поля молекулы воды начинают вращаться, механизм, за счёт которого осциллирующие электрополя нагревают чистую воду (диэлектрический подогрев). Электрополя, частота колебания которых равна частоте радио или-микроволн, - это предпочтительный способ для осуществления быстрого и ровного разогревания (размораживания) криоконсервированных материалов [13,15,32].

Давно известно, что статические электрополя могут вызывать образование кристаллов льда в сверхохлаждённой воде  [3,21–23]. Этот эффект использовался в криобиологии для уменьшения сверхохлаждения  во время заморозки, чтобы предотвратить внутримолекулярную кристаллизацию [20]. Такое электрозамораживание традиционно заканчивается приложением напряжения к электродам в прямом контакте с осверхохлаждённой врдой. Физический механизм электрозаморозки до сих пор не очень понятен. Происходят взаимодействия на поверхности, и это зависит от состава электродов [6]. Прикладываемые однородные электрические поля с использованием электродов вне воды относительно неэффективны.

Однородное поле мощностью 100 kV/m лишь повысило температуру  замерзания в образцах 1 mL на 1.6 _C [30], и не было установлено увеличения температуры гомогенной нуклеации капель воды при данной мощности поля [25]. Симуляции молекулярной динамики наводят на мысль, что для превращения массы сверхохлаждённой воды в кристаллический лёд необходима мощность электрополя порядка 5 _ 109 V/m [28]. Хотя сложно с помощью электрополя выровнять молекулы воды, чтобы вызвать замораживание, но, возможно, легче вызвать с помощью его колебания молекул воды, чтобы изменить или предотвратить замораживание. Есть доказательства, что осциллирующие электрополя могут подавлять кристаллизацию и усиливать сверхохлаждение [5,7,8,4]. Джэксон и его группа продемонстрировали, что микроволновое излучение силой 2.45 GHz

может приводить к уменьшению образования льда при попытке витрификации растворами этилен-гликоля [7,8,4].

 Сан и его группа изучали замораживание при осциллирующих электрополях с частотой

от 1 до 200 kHz и обнаружили, что площадь кристаллизации меньше всего при частоте 50 kHz [26].

Магнитные поля и кристаллизация

Воде не присущ магнитный диполярный момент. Вода - диамагнетик, что означает, что она получает магнитный диполярный момент в результате приложения магнитного поля. Так как магнитное поле необходимо как для индукции магнитного момента, так и для использования  ( дальше оборвано – прим.) 0011-2240/$ - see front matter _ 2012 Elsevier Inc.

Страница журнала «Криобиология» : www.elsevier.com/locate/ycryo

Мощность магнитного момента, воздействие магнитных сил на молекулы воды различаются, как и площадь силы приложенного магнитного поля.

Это означает, что слабые магнитные поля оказывают малое воздействие на воду, в то время как градиенты сильных магнитных полей (>10 Tesla) могут использовать достаточные силы, чтобы придать воде левитацию относительно гравитации. Это контрастирует с силой воздействия электрополей на молекулы воды, которая изменяется линейно с силой поля, так как электрическое поле действует на постоянный дипольный момент.

Было мало публикаций об исследованиях воздействия магнитных полей на образование кристаллов льда [31]. В одной работе сообщалось, что сильные статические магнитные поля  вызывали кристаллизацию в образцах дистиллированной воды по 0.5 mL, при мощности поля 0.5 Tesla, в результате происходило равномерное замораживание при 0 _C [2]. В другой работе отмечалось, что 6 mm капель воды вне контейнера* левитировали в магнитном поле мощностью 18 Tesla после сверхохлаждения до to _10 _C [29] перед началом замораживания [29]. Это незначительная степень сверхохлаждения для образца такого размера, что наводит на мысль, что статические магнитные поля в массе воды не приводят к очевидному усилению или замедлению замораживания.

В лаборатории автора данного сообщения наблюдали, как магнит Neodymiumiron-boron (Radio Shack #64-1895) мощностью 1.08 Tesla приводит к образованию ледяных кристаллов на своей поверхности при погружении в раствор  10-грамммового 10 g 50% w/w этилен-гликоля охлаждал(ся) в сцинтилляционном флаконе, который помещали над жидким азотом. Однако эффект пропадал, когда магнит накрывали алюминиевой фольгой. Было отмечено, что тот же самый магнит не вызвал никаких изменений в девитрификационной тенденции витрификационного раствора этилен-гликоля 10 g 57% w/w во время нагревания комнатного воздуха. Эти наблюдения согласуются также с тем, что не происходит воздействия статических магнитных полей на замораживание массы воды не на поверхности.

Возможно, что осциллирующие магнитные поля могут влиять на кристаллизацию льда. Однако воздействия, которые приписывают осциллирующим магнитным полям, могли вызываться осциллирующими электрическими полями, которые,  согласно уравнению Максуэлла Фарадея, сопровождают осциллирующие магнитные поля.

Чтобы определить, влияют ли чистые магнитные поля на кристаллизацию льда, потребовалось бы провести тесты там, где индуцированные электрические поля малы, так, например, вдоль центральных осей катушки с током или катушек, создающих осциллирующее магнитное поле. Мохимару и его группа улучшили результаты криоконсервации  тканей яичников свиней в присутствии переменного магнитного поля неуказанной силы и частоты…

Недавно было проведено исследование с целью изучить научными методами требования по лучшему консервированию пищевых продуктов с использованием морозильных камер с генератором магнитного поля [27]. Сообщалось, что не было обнаружено значительной разницы между продуктами, замороженными при магнитном поле мощностью 0.0005 Tesla, и контрольными данными. Это неудивительно, так как 0.0005 T (0.5 mT) – это очень слабое поле.

Вопросы об открытиях в опытах с морозильным боксом CAS

В работе Каку и его группы в журнале «Криобиология», опубликованной в 2010 году, сообщалось о криоконсервации клеток периодонтальной связки (PDL) с применением бокса CAS при мощности магнитного поля от 0 до 0.15 mT [9]. На рис. 1B показано, что соотношение живых размороженных клеток, выживших после 48 часов культивирования, выросло с 40% при нулевом магнитном поле до более чем 70% при магнитных полях 0.005, 0.01 и 0.15 mT. Все остальные доказательства, представленные в пользу магнитного поля, были основаны на сравнениях между тканью PDL, замороженной в CAS с  магнитным полем 0.01 mT, и тканью PDL, замороженной в «обычной камере с программным управлением».

На научный вопрос о том, имели ли  магнитные поля полезный эффект, был бы получен более ясный ответ, если бы в контрольных опытах применялась камера CAS без магнитного поля, а не обычная камера. Возможно ли, что была разница между боксом CAS и обычной камерой, помимо применения магнитного поля? В данной работе 2010 года в журнале «Криобиология», на рис. 1E видно, что показатель, достигнутый при силе поля 0.01 mT, идентичен показателю на рис. 1A, представленном в работе, опубликованной в журнале «Biomedical Research» [12]. В этих публикациях 0.01 mT and 75 mA соответственно указаны как оптимальное магнитное поле и ток, создающий поле для замораживания клеток PDL. На рис. 2B публикации в журнале «Biomedical Research» показан большой процент выживаемости клеток после размораживания и 48 часов культивирования  для всех проверенных токов, создающих поле, от 5 до 150 mA. Если ток в 75 mA создаёт в камере CAS  магнитное поле 0.01 mT, это означает, что была установлена высокая выживаемость клеток PDL(65–75%) при силе магнитного поля от 0.00067 до 0.15 mT. Сколь малым должно быть магнитное поле, чтобы полезное действие CAS исчезло?

Для справки, сила природного магнитного поля Земли в лаборатории между 0.025 mT у магнитного экватора до 0.06 mT у полюсов [10]. На рис. 1B в работе в журнале «Криобиология» 2010 года сообщалось, что выживаемость криосохранённых клеток 1B выросла с 40% до 70%, когда сила поля CAS была увеличена с 0 до 0.005 mT. Включало ли это поле или нетестественное поле 0.04 mT земли? Ни в пуликации в «Biomedical Research» [12], ни в двух публикациях в «Криобиологии» [1,9] о замораживании с CAS не указывается зависимость от времени*. Однако во всех этих работах указывается, что магнитные поля, вызывают «вибрацию» молекул воды и предотвращают образование водных кластеров (комков).

В постере Мохимару об изучении ткани свиных яичников с применением морозильного бокса CAS речь идёт именно о препятствовании образованию ледяных кристаллов за счёт «переменного магнитного поля» [16]. В статье «Форбс» процитирован изобретатель CAS, утверждающийий, что в боксах используются сильные магнитные поля и «другие виды энергии». В патентах «ABI Corporation» указаны статические магнитные поля, переменные магнитные поля, осциллирующие электрические поля и даже акустическая энергия [17–19]. В таблицах данных патентов  указаны применение радиочастотных электрических полей 150 V/ сm в сочетании с со статическими магнитными полями 1 mT (10 Gauss)и 50 Hz  осциллирующие магнитные поля 0.5 mT [18]. Были ли физические параметры в опытах по замораживанию тканей PDL полностью раскрыты в публикациях 2010 и 2011 года в журнале «Криобиология» [9,1]? Особенно, было ли приложенное магнитное поле лишь статическим магнитным полем с указанной малой мощностью, или же использовалось также переменное магнитное поле? Использовалось ли также осциллирующее электрическое поле? Определённо, при использовании только одного поля  это не могло быть статическое магнитное поле, более слабое, чем  собственное поле земли. Очевидно, что интересные результаты достигаются с помощью морозильных боксов CAS. Важное наблюдение, что электромагнитные поля могут влиять на кристаллизацию льда за счёт нетермальных механизмов.

 Необходимо  знать все физические условия, которые приводят к подобным выводам, для того чтобы можно было их повторить и изучить в других лабораториях, даже с использованием другого оборудования.

Переводчик Елена Василевская

Поделиться