ES2319714B1 - CELLULAR CRIOPRESERVATION BY VITRIFICATION WITH LOW CRIOPROTECTOR CONCENTRATIONS. - Google Patents
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Abstract
Criopreservación celular por vitrificación con bajas concentraciones de crioprotector.Cell cryopreservation by vitrification with low concentrations of cryoprotectant.
El objeto de la presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de criopreservación celular, que consigue la vitrificación de las muestras biológicas con presencia de bajas concentraciones de crioprotecto. El procedimiento se basa en el uso de la convección forzada con el objetivo de aumentar la transferencia de calor y alcanzar muy altos ritmos de enfriamiento y recalentamiento que eviten la nucleación y el crecimiento de cristales de hielo.The object of the present invention relates to a new cell cryopreservation procedure, which achieves the vitrification of biological samples with the presence of losses Cryoprotectant concentrations. The procedure is based on the use of forced convection in order to increase the heat transfer and achieve very high cooling rates and overheating that prevents nucleation and growth of ice crystals
Description
Criopreservación celular por vitrificación con bajas concentraciones de crioprotector.Cell cryopreservation by vitrification with low concentrations of cryoprotectant.
El objeto de la presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de criopreservación celular, que consigue la vitrificación de las muestras biológicas con presencia de bajas concentraciones de crioprotector. El procedimiento se basa en el uso de la convección forzada con el objetivo de aumentar la transferencia de calor y alcanzar muy altos ritmos de enfriamiento y recalentamiento que eviten la nucleación y el crecimiento de cristales de hielo.The object of the present invention relates to a new cell cryopreservation procedure, which achieves the vitrification of biological samples with the presence of losses Cryoprotectant concentrations. The procedure is based on the use of forced convection in order to increase the heat transfer and achieve very high cooling rates and overheating that prevents nucleation and growth of ice crystals
Dos técnicas son las que actualmente se han desarrollado, con multitud de variantes, con el objetivo de conseguir la conservación celular: el enfriamiento lento y la vitrificación.Two techniques are currently developed, with a multitude of variants, with the aim of achieve cell preservation: slow cooling and vitrification
El enfriamiento lento es, con diferencia, el procedimiento más usado. Se basa en el control de la tasa de enfriamiento con el objetivo de crear un delicado equilibrio entre los distintos factores que causan daño celular, entre los que se encuentran la formación de hielo, fracturas y una excesiva deshidratación de la célula.Slow cooling is, by far, the most used procedure It is based on the rate control of cooling in order to create a delicate balance between the different factors that cause cell damage, among which they find icing, fractures and excessive dehydration of the cell.
En los últimos años ha aparecido otra técnica, la vitrificación, que mejora en gran medida la técnica del enfriamiento lento, pues elimina completamente la formación de cristales de hielo, los cuales suponen el mayor obstáculo para la criopreservación de células vivas. Actualmente, se considera la vitrificación como el futuro de la criopreservación celular [Gábor Vajta, Masashige Kuwayama, Improving cryopreservation systems, Theriogenology 65 (2006), 236-244]. Sin embargo, la técnica todavía necesita ser mejorada para muchos tipos celulares, como por ejemplo oocitos, en los que su vitrificación y posterior fertilización ha resultado hasta el momento en tan sólo 16 nacimientos de niños [David K. Gardner, In vitro fertilization, a practical approach, Taylor & Francis; Edition: 1 (29 september 2006]. La vitrificación de células madre, otro de los tipos celulares más interesantes de criopreservar, de un gran potencial para la medicina regenerativa, apenas ha empezado a llevarse a la práctica [S.S. Gouk, C.K.F. Tan, M.P. Hande, A. Poonepalli, G.S. Dawe and Lilia L. Kuleshova, Protein and serum free vitrification of neural ítem cells, Criobiology, Volume 53, Sigue 3, December 2006, Page 389] y una gran experimentación será necesaria antes de que pueda ser utilizada eficientemente.In recent years another technique has appeared, vitrification, which greatly improves the technique of slow cooling, because it completely eliminates the formation of ice crystals, which represent the greatest obstacle to the cryopreservation of living cells. Currently, vitrification is considered as the future of cellular cryopreservation [ Gábor Vajta, Masashige Kuwayama, Improving cryopreservation systems, Theriogenology 65 (2006), 236-244 ]. However, the technique still needs to be improved for many cell types, such as oocytes, in which its vitrification and subsequent fertilization has so far resulted in only 16 births of children [ David K. Gardner, In vitro fertilization, a practical approach, Taylor &Francis; Edition: 1 (September 29, 2006 ). Vitrification of stem cells, another of the most interesting cell types of cryopreservation, of great potential for regenerative medicine, has just begun to be put into practice [ SS Gouk, CKF Tan, MP Hande, A. Poonepalli, GS Dawe and Lilia L. Kuleshova, Protein and serum free vitrification of neural item cells, Criobiology, Volume 53, Follow 3, December 2006, Page 389 ] and great experimentation will be necessary before it can be used efficiently.
La vitrificación es un proceso mediante el cual un líquido se solidifica en una fase no cristalina (fase vítrea) con un rápido descenso de la temperatura y un aumento en la viscosidad. Varios factores afectan la probabilidad de conseguir una adecuada vitrificación: viscosidad de la muestra, ritmo de enfriamiento y calentamiento, y volumen de la muestra [S. Llavín, A. Arav, Measurement of essential physical properties of vitrification solutions, Theriogenology 2007; 67; 81-89].Vitrification is a process by which a liquid solidifies in a non-crystalline phase (vitreous phase) with a rapid decrease in temperature and an increase in viscosity. Several factors affect the probability of getting a adequate vitrification: sample viscosity, rhythm of cooling and heating, and sample volume [S. Latchkey, A. Arav, Measurement of essential physical properties of vitrification solutions, Theriogenology 2007; 67; 81-89].
Con el objetivo de incrementar la viscosidad de la muestra se utilizan los llamados agentes vitrificantes, también llamados crioprotectores, por su relación con la protección celular. Con algunos de ellos, como el dimetilsulfóxido o el etilenglicol se han conseguido buenos resultados [(Rall WF, Fahy GM: Ice-fre cryopreservation of mouse. embryos at -196 by vitrification. Nature 1985;313:573-. 575); (T. Takahashi, A. Hirsh, E. F. Erbe, J. B. Bross, R. L. Steere and R. J. Williams Vitrification of human monocytes, Cryobiology, Volume 23, Issue 2, April 1986, Pages 103-115)]. Sin embargo, las altas concentraciones necesarias de estos agentes crioprotectores para alcanzar la vitrificación resultan en una alta toxicidad que impide su viabilidad en muchos protocolos de criopreservación celular.In order to increase the viscosity of the sample, the so-called vitrifying agents, also called cryoprotectants, are used because of their relationship with cellular protection. With some of them, such as dimethylsulfoxide or ethylene glycol, good results have been achieved [ (Rall WF, Fahy GM: Ice-fre cryopreservation of mouse. Embryos at -196 by vitrification. Nature 1985; 313: 573-. 575); (T. Takahashi, A. Hirsh, EF Erbe, JB Bross, RL Steere and RJ Williams Vitrification of human monocytes, Cryobiology, Volume 23, Issue 2, April 1986, Pages 103-115 )]. However, the high concentrations necessary for these cryoprotective agents to achieve vitrification result in high toxicity that prevents their viability in many cell cryopreservation protocols.
El incremento del ritmo de enfriamiento y calentamiento aumenta la probabilidad de una adecuada vitrificación, y hace necesario unas menores concentraciones de agentes crioprotectores. La técnica más usada para conseguir altas velocidades de enfriamiento ha sido la inmersión de la muestra en nitrógeno líquido. Es necesario conseguir una eficiente transmisión de calor entre el nitrógeno líquido y el material celular, para maximizar la velocidad de enfriamiento. Con este objetivo, diferentes contenedores han sido aplicados para introducir células en nitrógeno líquido, entre las que encontramos rejillas de cobre utilizadas en microscopia electrónica [Martino A, Songsasen N, Leibo S. P, Developement into blastocysts of bovine oocytes cryuopreserved by ultrarapid cooling, Biol Reprod 1996;54;1059-1069,], capilares OPS [Vajta, G, Booth PJ, Holm P, Greve T, Callesen H, Succesful vitrification of early stage bovine in vitro produced embryos with the open pulled straw (OPS) method, Cryo-Letters 1997;18;191-195] (Open Pulled Straws, capilares de PVC convencionales estirados hasta tener un diámetro interior de 0.800 mm y un espesor de la pared de 0.075 mm) o los llamados cryoloops [Lane M, Schoolcraft WB, Gardner DK, Vitrification of mouse and human blastocysts using a novel ctyoloop container-less technique, Fertil Steril, 1999;72;1073-1078], lazos de nylon en los que se suspende una película de solución conteniendo las células. Sin embargo, la velocidad de enfriamiento conseguida mediante estos procedimientos necesita aún una alta concentración de crioprotectores para producir la vitrificación [Gábor Vajta, Masashige Kuwayama, Improving cryopreservation systems, Theriogenology 65 (2006), 236-244]. Para conseguir unos mejores resultados en la vitrificación se puede utilizar nitrógeno líquido subenfriado, llamado "slush", el cual está a una temperatura de -210ºC, inferior al nitrógeno líquido, y en el que se consigue disminuir el efecto Leidenfrost (formación de una capa de vapor alrededor de la muestra que impide una eficiente transferencia de calor). La introducción de los contenedores celulares anteriormente nombrados en slush suponen una velocidad de enfriamiento de 10.000ºC/min o unos 20.000ºC/min (dependiendo del autor, [M.A. Nowshari and G. Bren, Effect of freezing rate and exposure time to cryoprotectant on the development of mouse pronuclear stage embryos, Human Reproduction 15 (2001), 2368-2373]; [G. Vajta, P. Holm, T. Greve and H. Callesen, Vitrification of porcine embryos using the Open Pulled Straw (OPS) method, Acta Vet. Scand. 38 (1997) 349-352]) para OPS, y similares resultados para el caso de cryoloops [T. Mukaida, S. Nakamura, T. Tomiyama, S. Wada, M. Kasai and K. Takahashi, Succesful birth alter transfer of vitrified human blastocysts with us of a cryoloop containerless technique, Fertil. Steril. 76 (2001) 618-620] o rejillas de cobre [P. L. Steponkus, S. P. Myers and D. V. Lynch, et al, Cryopreservation of Drosophila melanogaster embryos, Nature 345 (1990) 170-172], resultados que, aunque interesantes, siguen sin ser suficientes para conseguir una adecuada vitrificación para muchos tipos celulares.The increase in the rate of cooling and heating increases the probability of adequate vitrification, and makes lower concentrations of cryoprotective agents necessary. The most used technique to achieve high cooling rates has been the immersion of the sample in liquid nitrogen. It is necessary to achieve efficient heat transmission between liquid nitrogen and cellular material, to maximize the cooling rate. With this objective, different containers have been applied to introduce cells in liquid nitrogen, among which we find copper grids used in electron microscopy [ Martino A, Songsasen N, Leibo S. P, Developing into blastocysts of bovine oocytes cryuopreserved by ultrarapid cooling, Biol Reprod 1996; 54; 1059-1069 ,], OPS capillaries [ Vajta, G, Booth PJ, Holm P, Greve T, Callesen H, Succesful vitrification of early stage bovine in vitro produced embryos with the open pulled straw (OPS) method , Cryo-Letters 1997; 18; 191-195 ] (Open Pulled Straws, conventional PVC capillaries stretched to have an inside diameter of 0.800 mm and a wall thickness of 0.075 mm) or the so-called cryoloops [ Lane M, Schoolcraft WB , Gardner DK, Vitrification of mouse and human blastocysts using a novel ctyoloop container-less technique, Fertil Steril, 1999; 72; 1073-1078 ], nylon ties in which a solution film containing the cells is suspended. However, the cooling rate achieved by these procedures still requires a high concentration of cryoprotectants to produce vitrification [ Gábor Vajta, Masashige Kuwayama, Improving cryopreservation systems, Theriogenology 65 (2006), 236-244 ]. To achieve better results in vitrification you can use subcooled liquid nitrogen, called "slush", which is at a temperature of -210 ° C, lower than liquid nitrogen, and where you can reduce the Leidenfrost effect (formation of a layer of steam around the sample that prevents efficient heat transfer). The introduction of the cell containers previously named in slush means a cooling rate of 10,000 ° C / min or about 20,000 ° C / min (depending on the author, [ MA Nowshari and G. Bren, Effect of freezing rate and exposure time to cryoprotectant on the development of mouse pronuclear stage embryos, Human Reproduction 15 (2001), 2368-2373]; [G. Vajta, P. Holm, T. Greve and H. Callesen, Vitrification of porcine embryos using the Open Pulled Straw (OPS) method, Acta Vet. Scand. 38 (1997) 349-352 ]) for PAHO, and similar results in the case of cryoloops [ T. Mukaida, S. Nakamura, T. Tomiyama, S. Wada, M. Kasai and K. Takahashi, Succesful birth alter transfer of vitrified human blastocysts with us of a cryoloop containerless technique, Fertil. Steril 76 (2001) 618-620] or copper gratings [PL Steponkus, SP Myers and DV Lynch, et al , Cryopreservation of Drosophila melanogaster embryos, Nature 345 (1990) 170-172 ], results that, although interesting, are still not enough to achieve adequate vitrification for many cell types.
El proceso de recalentamiento es incluso más conflictivo. Todos los procesos de recalentamiento se basan en el traspaso del contenedor celular desde el nitrógeno líquido (donde se ha mantenido la muestra por tiempo indefinido) hasta un recipiente contenedor de una solución de recalentamiento (normalmente a 37.5º), pasando por el aire entre ambos contenedores. Este paso por el aire supone un grave inconveniente, pues durante este paso el recalentamiento tiene lugar a una velocidad muy lenta, en la que es imposible evitar la formación y el crecimiento de cristales de hielo.The overheating process is even more troubled. All overheating processes are based on the transfer of the cell container from liquid nitrogen (where the sample has been kept indefinitely) up to a container container of a reheat solution (normally at 37.5º), passing through the air between the two containers This passage through the air is a serious inconvenience, because during this step the overheating takes place at a very slow speed, in which it is impossible to avoid training and ice crystal growth
La probabilidad de una adecuada vitrificación depende, finalmente, del volumen de la muestra. Minimizando el volumen de la muestra se consigue minimizar la cantidad de líquido susceptible de nucleación, y por lo tanto se aumentan las probabilidades de una correcta vitrificación. Con esta filosofía, muy relacionada también con la maximización de la velocidad de enfriamiento comentada anteriormente, nacieron las "técnicas de mínimo volumen", como Cryotop [Kuwayama M, Vajta G, Kato O, Leibo S. P, Highly efficient vitrification method for cryopreservation of human oocytes, Reprod Biomed Online, 2005;11;300-308] o, más recientemente, CryoTip [Kuwayama M, Vajta G, lEda S, Kato O, Vitrification of human embryos using the CryoTip method, Reprod Biomed Online, in press], que han cosechado algunos éxitos en vitrificación de tipos celulares complicados de criopreservar. Sin embargo, la dificultad para manejar la muestra en dichos contenedores (en el caso de Cryotop), o la necesidad de velocidades de enfriamiento más elevadas (12.000ºC/min en el caso de CryoTip, y ligeramente mayores en el caso de Cryotop) hacen necesario la invención de nuevos procedimientos.The probability of adequate vitrification depends, finally, on the volume of the sample. Minimizing the volume of the sample minimizes the amount of liquid susceptible to nucleation, and therefore increases the chances of proper vitrification. With this philosophy, also closely related to the maximization of the cooling rate discussed above, the "minimum volume techniques" were born, such as Cryotop [ Kuwayama M, Vajta G, Kato O, Leibo S. P, Highly efficient vitrification method for cryopreservation of human oocytes, Reprod Biomed Online, 2005; 11; 300-308 ] or, more recently, CryoTip [ Kuwayama M, Vajta G, lEda S, Kato O, Vitrification of human embryos using the CryoTip method, Reprod Biomed Online, in press ], which have reaped some successes in vitrification of complicated cell types of cryopreservation. However, the difficulty in handling the sample in such containers (in the case of Cryotop), or the need for higher cooling rates (12,000 ° C / min in the case of CryoTip, and slightly higher in the case of Cryotop) make The invention of new procedures is necessary.
Figura 1. Montaje experimental para el desarrollo de los experimentos. El nitrógeno líquido contenido en el recipiente cilíndrico es puesto en movimiento mediante un agitador vertical con la paleta situada a unos 2 cm del borde inferior. La velocidad de giro de este agitador podía ser controlada entre 0 y 2700 rpm (medida con un sensor de efecto Hall y un osciloscopio)Figure 1. Experimental setup for the Development of the experiments. The liquid nitrogen contained in the cylindrical container is set in motion by a vertical stirrer with the blade located about 2 cm from the edge lower. The speed of rotation of this agitator could be controlled between 0 and 2700 rpm (measured with a Hall effect sensor and an oscilloscope)
Figura 2. A). Enfriamiento de capilar de cuarzo al ser introducido en nitrógeno líquido, agitado a 2700 rpm. B) Enfriamiento de capilar OPS al ser introducido en nitrógeno líquido, sin convección forzada.Figure 2. A). Quartz capillary cooling when introduced in liquid nitrogen, stirred at 2700 rpm. B) OPS capillary cooling when introduced into nitrogen liquid, without forced convection.
Figura 3. Incremento de la velocidad de enfriamiento con la velocidad de agitación.Figure 3. Increase the speed of cooling with stirring speed.
El procedimiento objeto de la presente invención viene a solucionar los inconvenientes anteriormente comentados, manteniendo las ventajas de los contenedores tipo "straw" y consiguiendo velocidades de enfriamiento superiores a ninguna otra técnica, evitando la nucleación y el crecimiento del hielo en el proceso de vitrificación, con la consiguiente reducción en la toxicidad generada por el uso de altas concentraciones de crioprotector.The process object of the present invention it comes to solve the previously mentioned inconveniences, maintaining the advantages of straw type containers and getting cooling speeds higher than any other technique, avoiding the nucleation and growth of ice in the vitrification process, with the consequent reduction in toxicity generated by the use of high concentrations of cryoprotectant
El procedimiento trata de la aplicación al problema concreto de criopreservación celular de una técnica usada ampliamente en ingeniería para aumentar la transferencia de calor (convección forzada), la cual es complementada con un nuevo contenedor celular, los capilares de cuarzo (usados frecuentemente para difracción de rayos X), y el uso de mezclas criogénicas alternativas al nitrógeno líquido, como slush (nitrógeno líquido subenfriado procedente del cambio de fase de nitrógeno líquido) o slurry (mezcla de nitrógeno líquido con diferentes partículas como cobre en polvo o cloruro de sodio, dependiendo de las características de la muestra a criopreservar). En el proceso de recalentamiento se hace uso de las propiedades físicas del cambio de fase del slush a nitrógeno líquido, complementado igualmente con la técnica de convección forzada con el fluido de recalentamiento, con el mismo objetivo de conseguir una alta transferencia de calor.The procedure deals with the application to concrete problem of cellular cryopreservation of a technique used Widely in engineering to increase heat transfer (forced convection), which is complemented by a new cellular container, quartz capillaries (frequently used for X-ray diffraction), and the use of cryogenic mixtures alternatives to liquid nitrogen, such as slush (liquid nitrogen subcooled from the phase change of liquid nitrogen) or slurry (mixture of liquid nitrogen with different particles such as copper powder or sodium chloride, depending on the characteristics of the sample to be cryopreserved). In the process of overheating makes use of the physical properties of the change phase slush to liquid nitrogen, also complemented with the forced convection technique with the reheating fluid, with the same objective of achieving a high transfer of hot.
La convección forzada se produce como consecuencia del movimiento relativo del capilar de cuarzo con respecto al fluido refrigerante (o de recalentamiento). Puede ser implementada de muchas formas: movimiento del capilar, movimiento del fluido refrigerante (o de recalentamiento) mediante un estrechamiento del flujo, sometimiento a un gradiente de presiones, mediante agitación, etc. La forma técnicamente más sencilla de implementar la convección forzada y más fácilmente repetible es mediante agitación del fluido refrigerante o de recalentamiento, por lo que ésta ha sido la forma elegida para la realización de los experimentos expuestos en los ejemplos posteriores.Forced convection occurs as consequence of the relative movement of the quartz capillary with with respect to the cooling (or reheating) fluid. Can be implemented in many ways: capillary movement, movement of the cooling (or reheating) fluid by means of a narrowing of the flow, subject to a pressure gradient, by agitation, etc. The technically easiest way to implement forced and more easily repeatable convection is by stirring the coolant or reheating fluid, by what this has been the form chosen for the realization of the Experiments set forth in the subsequent examples.
El proceso de enfriamiento requiere en primer lugar de la elección del contenedor celular y el fluido refrigerante en el que será introducido. Como contenedor celular se usan capilares de cuarzo, y como líquido refrigerante se pueden usar nitrógeno líquido, slush o slurry.The cooling process requires first place of choice of cell container and fluid refrigerant in which it will be introduced. As a cellular container they use quartz capillaries, and as a coolant they can be used Liquid nitrogen, slush or slurry.
El uso de los capilares de cuarzo para conseguir altas velocidades de enfriamiento y recalentamiento viene motivado por la gran conductividad térmica que posee el cuarzo (sobre 6.5 W m^{-1}K^{-1}, comparado con el PVC de los capilares OPS, unos 0.19 W m^{-1}K^{-1}), al igual que por el reducido diámetro interior (sobre unos 0.100 mm - 0.200 mm) y por las reducidas dimensiones de la pared que pueden ser conseguidas con el estado actual de la técnica para este material (unos 0.010 mm). Otros materiales podrían ser igualmente empleados, como plata u otros metales de alta conductividad térmica, siempre y cuando las dimensiones fuesen similares a las de los capilares de cuarzo comentados aquí.The use of quartz capillaries to get high cooling and reheating speeds are motivated due to the great thermal conductivity that quartz has (about 6.5 W m <-1> K <-1>, compared with the PVC of the OPS capillaries, about 0.19 W m -1 K -1), as well as the small diameter inside (about 0.100 mm - 0.200 mm) and reduced dimensions of the wall that can be achieved with the state Current technique for this material (about 0.010 mm). Others materials could be equally used, such as silver or other high thermal conductivity metals, as long as the dimensions were similar to those of quartz capillaries commented here.
Como fluido refrigerante se puede escoger entre nitrógeno líquido, slush o slurry.As a cooling fluid, you can choose between Liquid nitrogen, slush or slurry.
Las oportunas medidas de seguridad han de tomarse para el manejo de la mezcla criogénica.The appropriate security measures must be taken for the management of the cryogenic mixture.
La forma de obtener slush (nitrógeno líquido subenfriado) es mediante vacío. Una simple bomba de vacío consigue en unos pocos minutos la solidificación de parte del nitrógeno líquido (otra parte se pierde debida a evaporación). Al volver a la presión atmosférica normal, el nitrógeno colapsa y se forma un nitrógeno líquido subenfriado, con algunas partículas sólidas en él, que recibe este nombre de "slush".The way to obtain slush (subcooled liquid nitrogen) is by vacuum. A simple vacuum pump achieves solidification of part of the liquid nitrogen in a few minutes (another part is lost due to evaporation). Upon returning to normal atmospheric pressure, the nitrogen collapses and a subcooled liquid nitrogen is formed, with some solid particles in it, which is called " slush ".
Si el líquido refrigerante elegido es slurry, el volumen de las partículas elegidas será sobre unas tres cuartas partes del volumen total (el resto se rellena con nitrógeno líquido), dependiendo este volumen de la naturaleza de la partícula elegida. Las partículas elegidas pueden ser de una gran variedad. Se han obtenido buenos resultados con partículas de cobre en polvo y con cloruro de sodio. Es necesario homogeneizar el slurry para conseguir una buena mezcla entre el nitrógeno líquido y las partículas contenidas en él.If the coolant chosen is slurry, the volume of the particles chosen will be about three quarters parts of the total volume (the rest is filled with nitrogen liquid), this volume depending on the nature of the particle chosen The chosen particles can be of a great variety. Be they have obtained good results with powdered copper particles and with sodium chloride. It is necessary to homogenize the slurry to get a good mix between liquid nitrogen and particles contained in it.
El proceso de enfriamiento propiamente dicho consiste en la introducción del capilar de cuarzo, contenedor de las células que queremos criopreservar, en el seno de un flujo de fluido criogénico elegido entre las opciones ya comentadas (nitrógeno líquido, slush o slurry). El objetivo es incrementar la velocidad de enfriamiento de las células contenidos en el capilar para conseguir una adecuada vitrificación con bajas concentraciones de crioprotector. La convección forzada se produce como consecuencia del movimiento relativo del capilar de cuarzo con respecto al fluido criogénico. Tiene una doble ventaja con respecto a la simple inmersión:The cooling process itself It consists of the introduction of the quartz capillary, container of the cells that we want to cryopreserve, within a flow of cryogenic fluid chosen from the options already mentioned (liquid nitrogen, slush or slurry). The objective is to increase the cooling rate of the cells contained in the capillary to achieve adequate vitrification with low concentrations Cryoprotectant Forced convection occurs as consequence of the relative movement of the quartz capillary with regarding the cryogenic fluid. It has a double advantage over to simple immersion:
- 1)one)
- Sustitución de capas de fluido refrigerante calentadas por la introducción de la muestra por otras capas más frías y en consecuencia con una mayor capacidad refrigerante.Replacing fluid layers refrigerant heated by the introduction of the sample by others colder layers and consequently with greater capacity refrigerant.
- 2)2)
- Desestabilización y/o eliminación de la capa de vapor de Leidenfrost, en caso de formarse, que impide un buen contacto térmico entre el contenedor celular y el fluido refrigerante.Destabilization and / or elimination of Leidenfrost vapor layer, if formed, which prevents a good thermal contact between the cell container and the fluid refrigerant.
La convección forzada puede ser implementada de muchas formas, movimiento del capilar, movimiento del fluido refrigerante mediante un estrechamiento del flujo, mediante agitación, etc. La forma técnicamente más sencilla de implementar la convección forzada y más fácilmente repetible es mediante agitación del fluido refrigerante, por lo que ésta ha sido la forma elegida para la realización de los experimentos expuestos en los ejemplos.Forced convection can be implemented in many shapes, capillary movement, fluid movement refrigerant by narrowing the flow, by agitation, etc. The technically easiest way to implement the forced and more easily repeatable convection is by agitation of the cooling fluid, so this has been the chosen form for carrying out the experiments exposed in the examples.
Una vez la muestra haya alcanzado su temperatura mínima, el capilar deberá ser trasladado, junto con un reservorio lleno de nitrógeno líquido, hasta el contenedor final de nitrógeno líquido, donde permanecerá durante todo el tiempo que dure la criopreservación.Once the sample has reached its temperature minimum, the capillary must be moved, along with a reservoir filled with liquid nitrogen, to the final nitrogen container liquid, where it will remain for the entire duration of the cryopreservation
El procedimiento de criopreservación se completa con el proceso de recalentamiento, en el que se trata, igualmente, de aumentar la transferencia de calor. En primer lugar, se hace uso de las propiedades físicas del cambio de fase de slush a nitrógeno líquido para evitar los inconvenientes del paso del contenedor celular por el aire que separa los contenedores de nitrógeno líquido y de la solución de recalentamiento. Para ello se sustituye el nitrógeno líquido en donde se ha mantenido vitrificada la muestra celular por nitrógeno líquido slush. No hay problema en realizar dicha sustitución puesto que el nitrógeno líquido slush posee una mayor densidad y el nitrógeno líquido se evapora rápidamente. El slush, durante el tiempo que transcurre desde que se extrae el capilar de cuarzo de él hasta que se introduce en la solución de recalentamiento, mantiene constante la temperatura de la muestra celular a -196ºC, como consecuencia del cambio de estado de dicho slush, adherido al capilar de cuarzo, a nitrógeno líquido.The cryopreservation procedure is completed with the reheating process, which is also about of increasing heat transfer. First, use is made of the physical properties of the phase change from slush to nitrogen liquid to avoid the inconvenience of the passage of the container cell by air that separates liquid nitrogen containers and overheating solution. For this, the liquid nitrogen where the sample has been vitrified cell by liquid nitrogen slush. There is no problem in performing said substitution since the liquid nitrogen slush has a higher density and liquid nitrogen evaporates quickly. He slush, during the time that has elapsed since the quartz capillary of it until it is introduced into the solution of overheating, keeps the sample temperature constant cell at -196 ° C, as a result of the change in state of said slush, attached to the quartz capillary, to liquid nitrogen.
Este mantenimiento de la temperatura, consigue impedir la formación de hielo (la muestra vitrificada es tan viscosa que a -196ºC sigue sin poder formar cristales de hielo) y permite que la temperatura de la muestra celular pueda aumentar de forma brusca y repentina al ser introducida en la solución de recalentamiento.This temperature maintenance, get prevent icing (the vitrified sample is so viscose that at -196 ° C still cannot form ice crystals) and allows the temperature of the cell sample to increase by abrupt and sudden form when introduced into the solution of overheating
El proceso de recalentamiento se completa finalmente con el uso de convección forzada, en una solución de recalentamiento con fluidos adecuados, como agua a 37,5ºC u otros fluidos con una mayor difusividad térmica, a la que puede añadirse partículas de cobre en polvo para aumentar la conducción térmica.The reheating process is completed finally with the use of forced convection, in a solution of reheating with suitable fluids, such as water at 37.5 ° C or others fluids with greater thermal diffusivity, to which it can be added copper powder particles to increase conduction thermal
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Contenedor celular: Capilares de cuarzo (Capillary Tube Supplies Ltd. UK), con las siguientes características:Cellular container: Quartz capillaries (Capillary Tube Supplies Ltd. UK), with the following features:
Diámetro interior 0.200 mm.Inner diameter 0.200 mm.
Espesor de la pared de 0.010 mm.0.010 mm wall thickness.
Longitud del capilar: 90 mm.Capillary length: 90 mm.
Fluido refrigerante: nitrógeno líquido. Este fluido refrigerante se vierte en un recipiente aislante (que minimice la evaporación del nitrógeno líquido). El volumen de fluido refrigerante existente en dicho recipiente debe ser lo suficientemente elevado como para cubrir la mayor parte del capilar de cuarzo al ser éste introducido.Coolant: liquid nitrogen. This coolant is poured into an insulating container (which minimize evaporation of liquid nitrogen). The volume of coolant existing in said container must be the high enough to cover most of the capillary Quartz being introduced.
Procedimiento de convección forzada utilizado: agitación del fluido refrigerante (nitrógeno líquido) en el recipiente anterior mediante un agitador vertical que rota sobre su eje de simetría (ver figura 1) a una velocidad de giro de 2700 rpm.Forced convection procedure used: agitation of the cooling fluid (liquid nitrogen) in the anterior vessel using a vertical stirrer that rotates on its axis of symmetry (see figure 1) at a rotation speed of 2700 rpm
Velocidad de entrada del capilar en el nitrógeno líquido: 1250 mm/s (medida con el dispositivo barrera fotoeléctrica de horquilla con contador, Phywe 11207.30).Capillary nitrogen entry rate liquid: 1250 mm / s (measured with the photoelectric barrier device of fork with counter, Phywe 11207.30).
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Velocidad de enfriamiento: 122.500ºC/minuto (entre –10ºC y -170ºC).Cooling speed: 122,500ºC / minute (between –10ºC and -170ºC).
La medida fue realizada con un termopar tipo T (Omega Engineering Inc), de diámetro 0.025 mm, introducido en el capilar con la unión a 0,5 cm del extremo inferior. La Tarjeta de adquisición (Measurement Computing, USB-1208LS) muestreaba a 600 muestras por segundo.The measurement was made with a type T thermocouple (Omega Engineering Inc), diameter 0.025 mm, introduced in the capillary with the union 0.5 cm from the lower end. The card of acquisition (Measurement Computing, USB-1208LS) Sampled at 600 samples per second.
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Esta velocidad de enfriamiento conseguida (en la figura 2A se muestra el perfil de enfriamiento de este experimento) supera en gran medida las velocidades de enfriamiento conseguidos por el resto de métodos. (Como ejemplo, en la figura 2B se muestra el perfil de enfriamiento para un capilar OPS convencional introducido en nitrógeno líquido sin un proceso de convección forzada, medida realizada con otro termopar tipo T de Omega Engineering Inc., de medidas coincidentes con el anterior y la misma tarjeta de adquisición).This cooling rate achieved (in the Figure 2A shows the cooling profile of this experiment) greatly exceeds the cooling rates achieved by the rest of methods. (As an example, Figure 2B shows the cooling profile for a conventional OPS capillary introduced into liquid nitrogen without a convection process forced, measured with another Omega type T thermocouple Engineering Inc., of measures coinciding with the previous and the same acquisition card).
En la figura 3 se muestra se muestra la velocidad de enfriamiento de los capilares de cuarzo al ser introducidos en nitrógeno líquido en el setup mostrado en la figura 1 con distintas velocidades de agitación. Estos resultados sugieren que la velocidad de agitación del líquido refrigerante durante la introducción del capilar de cuarzo conteniendo éste el material celular, debe de ser lo más elevada como sea posible y permitan los medios técnicos.Figure 3 shows the cooling rate of quartz capillaries to be introduced in liquid nitrogen in the setup shown in the figure 1 with different stirring speeds. These results suggest that the agitation speed of the coolant during the introduction of the quartz capillary containing this material cell phone, should be as high as possible and allow technical means.
Este ritmo de enfriamiento es mayor que el conseguido con ninguna otra técnica utilizada hasta el momento, y permite unas concentraciones de crioprotector más bajas, y, por consiguiente, menos tóxicas que las utilizadas hasta ahora.This cooling rate is greater than the achieved with no other technique used so far, and allows lower concentrations of cryoprotectant, and, for consequently, less toxic than those used so far.
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Contenedor celular: Capilares de cuarzo (Capillary Tube Supplies Ltd. UK), con las siguientes características:Cellular container: Quartz capillaries (Capillary Tube Supplies Ltd. UK), with the following features:
Diámetro interior 0.200 mm.Inner diameter 0.200 mm.
Espesor de la pared de 0.010 mm.0.010 mm wall thickness.
Células a criopreservar: fibroblastos de ratón (3T3). El medio de cultivo empleado es DMEM con un 10% de Suero Fetal Bovino y un 2% de Penicilina y Estreptomicina. La incubación se realiza en una atmósfera con un 5% de CO2 a 37ºC y en condiciones de humedad de saturación.Cells to cryopreserve: mouse fibroblasts (3Q3). The culture medium used is DMEM with 10% Serum Fetal Bovine and 2% Penicillin and Streptomycin. Incubation it is carried out in an atmosphere with 5% CO2 at 37ºC and in saturation humidity conditions.
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Solución crioprotectora: 1.5 M de 1,2 propanodiol y 0.3 M de sacarosa en PBS (solución tampón que mantiene constante el PH).Cryoprotective solution: 1.5 M of 1.2 propanediol and 0.3 M sucrose in PBS (buffer solution that keeps the PH constant).
Fluido refrigerante: slush. El procedimiento de fabricación del slush fue mediante una bomba de vacío (Telstar 2F3), que convirtió un volumen de 390 ml de nitrógeno líquido en slush en 34 minutos. El slush fue vertido en el mismo recipiente que en la figura 1, con el mismo volumen que el mostrado en la figura 1.Coolant: slush. The procedure of slush manufacturing was by means of a vacuum pump (Telstar 2F3), which converted a volume of 390 ml of liquid nitrogen into slush in 34 minutes. The slush was poured into the same container than in figure 1, with the same volume as shown in the Figure 1.
Procedimiento de convección forzada utilizado: agitación del fluido refrigerante (slush) en el mismo recipiente anterior mediante un agitador vertical que rota sobre su eje de simetría (igual que en el ejemplo anterior, ver figura 1) a una velocidad de giro de 500 rpm.Forced convection procedure used: stirring of the cooling fluid (slush) in the same container anterior by a vertical stirrer that rotates on its axis of symmetry (as in the previous example, see figure 1) to a 500 rpm rotation speed.
Velocidad de entrada del capilar en el nitrógeno líquido slush: 1250 mm/s (medida con el dispositivo barrera fotoeléctrica de horquilla con contador, Phywe 11207.30).Capillary nitrogen entry rate slush liquid: 1250 mm / s (measured with the barrier device photoelectric fork with counter, Phywe 11207.30).
Recalentamiento: Uso de las propiedades físicas del cambio de fase del slush adherido al capilar de cuarzo a nitrógeno líquido. Inmersión del capilar en baño de agua a 37.5ºC sin convección forzadaOverheating: Use of physical properties of the phase change of the slush attached to the quartz capillary to liquid nitrogen. Immersion of the capillary in a 37.5ºC water bath no forced convection
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Velocidad de enfriamiento: 158.000ºC/minuto (medida con termopar tipo T Omega Engineering Inc, de diámetro 0.025 mm y tarjeta de adquisición Measurement Computing, USB-1208LS a 600 muestras/s).Cooling speed: 158,000ºC / minute (measured with thermocouple type T Omega Engineering Inc, diameter 0.025 mm and Measurement Computing acquisition card, USB-1208LS at 600 samples / s).
Supervivencia de fibroblastos: 95% (técnica trypan blue).Survival of fibroblasts: 95% (technique trypan blue).
Cuando el líquido refrigerante elegido es slush, la bomba de vacío debe trabajar el tiempo suficiente como para obtener una buena calidad del slush (el nitrógeno líquido debe ser solidificado), pero un tiempo inferior al que produzca tanta evaporación de nitrógeno líquido como para que el slush resultante no cubra la mayor parte del capilar de cuarzo al ser éste introducido en el recipiente contenedor.When the chosen coolant is slush, the vacuum pump must work long enough to get a good slush quality (liquid nitrogen must be solidified), but less time than it produces so much evaporation of liquid nitrogen so that the resulting slush do not cover most of the quartz capillary being this one introduced in the container container.
Claims (3)
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| ES2212641T3 (en) * | 1998-10-14 | 2004-07-16 | Katrina T. Forest | VITRIFICATION PROCEDURE OF A BIOLOGICAL SPECIMEN. |
| US20060046243A1 (en) * | 2004-08-27 | 2006-03-02 | Tyho-Galileo Research Laboratories | Method for vitrification of mammalian cells |
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-
2008
- 2008-09-25 WO PCT/ES2008/000608 patent/WO2009040457A2/en not_active Ceased
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| US20060046243A1 (en) * | 2004-08-27 | 2006-03-02 | Tyho-Galileo Research Laboratories | Method for vitrification of mammalian cells |
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