Da più di 60 anni, i ricercatori hanno cercato di crioconservare (o congelare) con successo l'embrione di zebrafish, una specie che rappresenta un importante modello medico per la salute umana. In un nuovo studio, i ricercatori dell'Università del Minnesota e dello Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) forniscono la prima prova riproducibile del successo della crioconservazione degli embrioni di zebrafish.

Lo studio utilizza la nuova nanotecnologia dell'oro e laser per riscaldare l'embrione, l'ostacolo negli studi precedenti. I risultati hanno profonde implicazioni per la salute umana, conservazione della fauna selvatica, e acquacoltura.

La ricerca è pubblicata oggi in ACS Nano , una rivista scientifica leader pubblicata dall'American Chemical Society.

"Non c'è dubbio che l'uso di questa tecnologia, in questo modo, segna un cambio di paradigma per la crioconservazione e la conservazione di molte specie selvatiche, " disse Mary Hagedorn, un ricercatore SCBI e coautore di articoli che ha lavorato alla crioconservazione di embrioni di zebrafish dal 1992.

"Per far funzionare qualcosa a temperature così fredde, di solito devi essere creativo. Qui adottiamo un approccio unico combinando la biologia con un'entusiasmante tecnologia ingegneristica per fare ciò che prima era impossibile:congelare e scongelare con successo un embrione di pesce in modo che l'embrione inizi a svilupparsi, piuttosto che crollare, "Hagedorn ha aggiunto.

Congelando lo sperma, uova ed embrioni, gli ambientalisti possono salvaguardare le specie a rischio e la loro diversità genetica, rendendo possibile rafforzare il patrimonio genetico e quindi la salute delle popolazioni selvatiche anni o addirittura secoli dopo. Sebbene gli scienziati abbiano crioconservato con successo gli embrioni di molte specie di mammiferi e lo sperma di molte specie di pesci, il congelamento degli embrioni di pesce si è rivelato infinitamente più complicato.

Il successo della crioconservazione di un embrione richiede il raffreddamento dell'embrione in uno stato criogenicamente stabile, quindi riscaldandolo a una velocità maggiore di quanto non fosse raffreddato, e utilizzando un antigelo (o crioprotettore) per fermare la crescita dei cristalli di ghiaccio, che sono come spilli in un palloncino che fanno scoppiare la membrana e fanno cadere l'embrione. embrioni di pesce, però, sono molto grandi, rendendo difficile scongelarli rapidamente ed evitare lo sviluppo di cristalli di ghiaccio. Inoltre, perché gli animali acquatici devono sopravvivere in ambienti difficili, le loro membrane embrionali sono per lo più impenetrabili, bloccando i crioprotettori.

Entra nella nanotecnologia dell'oro laser, un campo tecnologico in rapida crescita in fase di sviluppo per applicazioni di crioconservazione dall'ingegneria meccanica dell'Università del Minnesota John Bischof che è stato fondamentale per il successo dello studio e ha un'ampia varietà di applicazioni biomediche.

"I laser hanno l'eccitante capacità di agire come un "interruttore della luce" che può attivare e disattivare l'attività biologica all'interno di biomateriali carichi di nanoparticelle d'oro, " disse Bischof, autore senior dello studio. "In questo caso, mediante un'attenta progettazione e dispiegamento di nanoparticelle d'oro all'interno di un embrione criogenicamente conservato e biologicamente inattivo, possiamo usare un impulso laser per riscaldare rapidamente l'embrione a temperatura ambiente e cambiare l'attività biologica, e quindi la vita, indietro."

I nanotubi d'oro sono minuscoli cilindri d'oro che convertono la luce assorbita (da un laser, per esempio) in calore. Gli autori dello studio hanno iniettato negli embrioni sia il crioprotettore che le particelle di nanooro. Le particelle d'oro trasferiscono il calore in modo uniforme in tutto l'embrione quando vengono colpite con un laser, riscaldando l'embrione da -196 gradi C a 20 gradi C in appena un millesimo di secondo. Il tasso di riscaldamento sorprendentemente veloce, in combinazione con il crioprotettore, impedito la formazione di cristalli di ghiaccio letali.

Gli embrioni che hanno subito questo processo hanno continuato a svilupparsi almeno fino alla fase di 24 ore in cui hanno sviluppato un cuore, branchie, muscolatura della coda e si è mossa, dimostrando la loro vitalità post-scongelamento.

Gli autori dello studio mirano poi a mettere a punto il processo per garantire che possano aumentare il tasso di sopravvivenza degli embrioni. Studieranno anche l'uso dell'automazione per rafforzare il numero di embrioni che possono scongelare con successo contemporaneamente.

Perché gli embrioni di altri animali acquatici, pesci, anfibi e coralli, sono molto simili a quelli del pesce zebra, questa tecnologia è direttamente applicabile alla crioconservazione degli embrioni di molte specie. La tecnologia può anche essere personalizzata per crioconservare embrioni di rettili e uccelli e migliorare il processo di crioconservazione di embrioni di mammiferi, compresi panda giganti e grandi felini. Inoltre, la tecnologia può aiutare gli allevamenti di acquacoltura a diventare più efficienti e convenienti, mettendo meno pressione sulle popolazioni selvatiche.

I ricercatori sulla salute umana usano il pesce zebra, che ha un genoma simile a quello umano, come importanti modelli di malattia per studiare il melanoma, malattie cardiache e del sangue, tra gli altri problemi di salute. Gli embrioni di zebrafish crioconservati impediranno agli scienziati di perdere intere linee di ricerca e daranno loro la flessibilità necessaria per ripristinare le linee secondo necessità.