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Neue Polymere schützen kryogen konservierte Zellen vor schädlichen Eiskristallen

Experiment mit flüssigem Stickstoff

Zelltherapien sind vielversprechend, um die Behandlung von Krebs und Autoimmunerkrankungen zu revolutionieren. Diese milliardenschwere Industrie erfordert jedoch die Langzeitlagerung von Zellen unter extrem kalten kryogenen Bedingungen und stellt gleichzeitig sicher, dass sie beim Auftauen weiterhin funktionieren. Diese kalten Temperaturen lösen jedoch die Bildung und das Wachstum von Eis aus, das Zellen durchdringen und zerreißen kann. Forschung veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Society Die Chemiker Pavithra Naullage und Valeria Molinero von der Universität von Utah bilden die Grundlage für die Entwicklung effizienter Polymere, die das Wachstum von Eis verhindern können, das Zellen schädigt.

Frostschutzmittel der Natur

Gegenwärtige Strategien zur Kryokonservierung von Zellen und Organen umfassen das Baden mit großen Mengen Dimethylsulfoxid, einer giftigen Chemikalie, die die Eisbildung durcheinander bringt, aber die Zellen belastet und ihre Überlebenschancen verringert.

Die Natur hat jedoch einen Weg gefunden, Organismen unter extrem kalten Bedingungen am Leben zu erhalten: Frostschutzproteine. Fische, Insekten und andere kaltblütige Organismen haben starke Frostschutzglykoproteine ​​entwickelt, die an Eiskristallite binden und sie daran hindern, Zellen zu wachsen und zu schädigen.

Eishemmendes Molekül

Eine Simulation eines eishemmenden Moleküls. Das Molekül in Rot ist wie ein Gewicht auf der Oberfläche des Eiskristalls, das es krümmt und ein weiteres Wachstum der Eiskristalle verhindert. Bildnachweis: University of Utah

Das wachsende Gebiet der zellbasierten Therapeutika erfordert die Entwicklung wirksamer Inhibitoren der Eisrekristallisation, die in ihrer Aktivität mit natürlichen Frostschutzglykoproteinen konkurrieren können, jedoch nicht die Kosten und die Toxizität von Dimethylsulfoxid aufweisen. Diese Forderung hat die Synthese von Polymeren vorangetrieben, die die Wirkung von Frostschutzglykoproteinen nachahmen. Der bisher wirksamste Inhibitor der synthetischen Eisrekristallisation, Polyvinylalkohol (PVA), ist um Größenordnungen weniger wirksam als natürliche Glykoproteine.

“Die Bemühungen, stärkere Inhibitoren für das Eiswachstum zu identifizieren, scheinen ins Stocken geraten zu sein, da es noch kein molekulares Verständnis der Faktoren gibt, die die Effizienz der Hemmung der Eisrekristallisation von Polymeren einschränken”, sagt Molinero.

Eine versteckte Polymer-Designvariable

Wie verhindern Moleküle, dass Eiskristalle größer werden? Moleküle, die stark an Eis binden, stecken wie Steine ​​auf einem Kissen an ihrer Oberfläche fest, sodass die Eisfront eine gekrümmte Oberfläche um die Moleküle entwickelt. Diese Krümmung destabilisiert den Eiskristall und stoppt sein Wachstum. Moleküle, die länger an Eis gebunden bleiben als die Zeit, die zum Züchten von Eiskristallen benötigt wird, verhindern erfolgreich weiteres Wachstum und Rekristallisation.

Molinero und Naullage verwendeten groß angelegte molekulare Simulationen, um die molekularen Grundlagen zu untersuchen, wie Flexibilität, Länge und Funktionalisierung von Polymeren ihre Bindung an Eis und ihre Effizienz steuern, um das Eiswachstum zu verhindern. Ihre Studie zeigt, dass die Bindungszeit der Moleküle an der Eisoberfläche durch die Stärke ihrer Eisbindung in Verbindung mit der Länge des Polymers und wie schnell sie sich auf der Eisoberfläche ausbreiten, gesteuert wird.

„Wir haben festgestellt, dass die Effizienz flexibler Polymere bei der Eindämmung des Eiswachstums durch die langsame Ausbreitung ihrer Bindung an Eis begrenzt ist“, sagt Molinero.

Die Studie untersucht die verschiedenen Faktoren, die die Bindung flexibler Polymere an Eis steuern und die die Lücke in der Wirksamkeit von PVA und natürlichen Frostschutzglykoproteinen erklären. Kurz gesagt, jeder Block Frostschutzglykoproteine ​​bindet stärker an Eis als PVA und wird auch durch seine sekundäre Molekülstruktur begünstigt, die die bindenden und nicht bindenden Blöcke voneinander trennt, damit sie sich schneller an Eis anlagern können, um dessen Wachstum zu stoppen.

„Nach unserem Kenntnisstand besteht diese Arbeit zunächst darin, den Zeitpunkt der Ausbreitung der Bindung als Schlüsselvariable für das Design effizienter eisbindender flexibler Polymere zu identifizieren“, sagt Naullage. “Unsere Studie schafft die Voraussetzungen für das De-novo-Design flexibler Polymere, die die Effizienz von Frostschutzglykoproteinen erreichen oder sogar übertreffen und einen Einfluss auf die biomedizinische Forschung haben können.”

Referenz: „Langsame Ausbreitung der Eisbindung begrenzt die Effizienz der Eisrekristallisationshemmung von PVA und anderen flexiblen Polymeren“ von Pavithra M. Naullage und Valeria Molinero, 13. Februar 2020, Zeitschrift der American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.9b12943