Vplyv kryoprezervácie na morfológiu a ultraštruktúru keratinocytov

Primárne karty

Vplyv kryoprezervácie na morfológiu a ultraštruktúru keratinocytov

Katarína Čechová
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK
cechova60@uniba.sk

Kryoprezervácia buniek je jednou z hlavných výziev súčasnej kryobiológie, najmä s ohľadom na progresívne rastúcu oblasť tkanivového inžinierstva. Spôsob kryoprezervácie môže výrazne ovplyvniť kvalitu buniek po rozmrazení. Z tohto dôvodu je potrebné zaviesť protokoly, ktoré zabezpečia dobrý fyziologický a adherentný stav zmrazovaných buniek, pretože ich efektívna regenerácia vedie k vysokej aplikačnej účinnosti v bunkových terapiách. Úspešná kryoprezervácia si vyžaduje starostlivé zváženie niekoľkých kľúčových faktorov vrátane výberu kryoprotektívneho činidla (CPA) a jeho koncentrácie.

Predkladaná práca sa zaoberá štúdiom efektu kryoprezervácie buniek s rôznymi nízkymi koncentráciami kryoprotektívnej látky dimetylsulfoxid (DMSO). Je známe, že DMSO je schopný zmierniť poškodenie buniek súvisiace so zmrazovaním počas pomalého ochladzovania, ale jeho účinky na bunkovú biológiu sú stále predmetom diskusie.

Preskúmali sme kryoprezerváciu ľudských keratinocytov s použitím štandardných a nižších dávok DMSO v zmrazovacej zmesi, ktoré minimalizujú jeho toxické účinky, ale ešte si zachovajú kryoprotektívne účinky. Bunky keratinocytov sme zmrazovali s (1,8 %; 2,2 %; 5 % a 10 %, v/v) koncentráciami DMSO a krátkodobo (počas troch dní) ich uchovávali pri teplote  ̶ 80 °C. Po rozmrazení sme ich porovnali s nezmrazenými bunkami. Zamerali sme sa na viabilitu a proliferáciu buniek po rozmrazení a analyzovali sme zmenu ich morfológie a ultraštruktúry spôsobenú vplyvom kryoprezervácie.  Skúmali sme vplyv DMSO na vybrané vlastnosti buniek v závislosti od jeho koncentrácie a zvažovali sme postupy na zníženie jeho toxických účinkov. Preukázali sme, že DMSO aj v nižších koncentráciách (do 2,2 %) môže ochrániť keratinocyty počas kryoprezervácie a krátkodobého skladovania pri nízkej teplote. Koncentrácia DMSO nižšia ako 2,2% už nemusí mať dostatočný kryoprotektívny účinok, pretože boli preukázané rozdiely v štrukturálnych a dynamických vlastnostiach zmrazovacej zmesi, ktoré spôsobujú, že bunky po rozmrazení podliehajú apoptóze. Tieto zistenia by mohli mať prínos v optimalizácii metódy kryoprezervácie kožných buniek pre biotechnológie aj základný výskum.

Poďakovanie: 

Táto práca bola vypracovaná za podpory projektov APVV-SK-BY-RD-19-0019 a APV-SK-PL-21-0073, NAWA EUROPARTNER, Polish National Agency for Academic Exchange (2019-2022) a KEGA 041UK-4/2020 (2020-2022).

Zdroje: 

Acker J. P., Larese A, Yang H, Petrenko A, McGann LE. Vnútrobunkovú tvorbu ľadu ovplyvňujú interakcie buniek . Kryobiológia . 1999; 38 ( 4 ): 363-71. Epub 22. 7. 1999. 10.1006/kryo.1999.2179. 

Acker J.P., McGann L.E.: Protective effect of intracellular ice during freezing? Cryobiology 46, 2003; 197-202.

Acker J.P.: The use of intracellular protectants in cell biopreservation. Advances in Biopreservation. Taylor and Francis, Boca Raton, 2007; 299-320.

Akhoondi M, Oldenhof H, Stoll C, Sieme H, Wolkers WF. Membrane hydraulic permeability changes during cooling of mammalian cells. Biochim Biophys Acta. 2011;1808:642–648.

Akkök, Ç. A., Liseth, K., Hervig, T., Ryningen, A., Bruserud, Ø., & Ersvær, E. (2009). The use of different ME2SO concentrations for cryopreservation of autologous peripheral blood stem cell grafts does not have any major impact on levels of leukocyte- and platelet-derived soluble mediators. Cytotherapy, 11(6). https://doi.org/10.3109/14653240902980443

Alberts, B.: Základy buněčné biologie: Úvod do molekulární biologie buňky. 1998. 2. vyd. Ústí nad Labem: Espero, 1 sv. (rôzne stránkovanie). ISBN 80-902-9062-0.

Astashkina A. : A critical evaluation of in vitro cell culture models for high-throughput drug screening and toxicity, Pharmacology & Therapeutics, Volume 134, Issue 1, 2012, Pages 82-106, ISSN 0163-7258, https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2012.01.001

Atlas of cell types: Keratinocytes: https://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/8-tipos-celulares/queratinocito.php. Získané 27.03.2024.

Awan, M.: Dimethyl sulfoxide: a central player since the dawn of cryobiology, is ifficacy balanced by toxicity?, Regenerative medicine, Vol. 15, No. 3, 2020.

Balasubramanian SK, Wolkers WF, Bischof JC. Membrane hydration correlates to cellular biophysics during freezing in mammalian cells. Biochim Biophys Acta. 2009;1788:945–953.

Banič B , Nipič D , Suput D , I M . DMSO modulates the pathway of apoptosis triggering. Cell. Mol. Biol. Lett. 16(2), 328–341 (2011).

Baust JG, Gao D, Baust JM. Cryopreservation: An emerging paradigm change. Organogenesis. 2009 Jul;5(3):90-6. doi: 10.4161/org.5.3.10021. PMID: 20046670; PMCID: PMC2781087.

Cryobiology, Volume 27, Issue 3, 1990, Pages 219-231, ISSN 0011-2240, https://doi.org/10.1016/0011-2240(90)90023-W

Crowe JH. Trehalose as a chemical chaperone: fact and fantasy. Adv Exp Med Biol. 2007;595:143–158.

Čechová K., Maťko I., Rusnák J., Švajdlenková H., Kĺbik I., Lakota J., Šauša O.: Microstructural free volume and dynamics of cryoprotective DMSO-water mixtures at low DMSO concentration. RSC Adv. 2019; 24(9):34299-34310.

Davidson AF , Glasscock C , McClanahan DR , Benson JD , Higgins AZ . Toxicity minimized cryoprotectant addition and removal procedures for adherent endothelial cells. PLoS ONE 10(11), e0142828 (2015).

Da Violante G , Zerrouk N , Richard I , Provot G , Chaumeil JC , Arnaud P . Evaluation of the cytotoxicity effect of dimethyl sulfoxide (DMSO) on Caco2/TC7 colon tumor cell cultures. Biol. Pharm. Bull. 25(12), 1600–1603 (2002).

Donnelly ET, McClure N, Lewis SEM. Cryopreservation of human sperm and prepared spermatozoa: effects on motility parameters and DNA integrity. Fertility and sterility. 2001; 76:892-900. doi: 10.1016/S0015-0282(01)02834-5. after in vitro fertilization. Fertility and sterility. 2008; 90:1662-1673. doi: 10.1016/j.fertnstert.2007.09.005.

Duru NK, Morshedi MS, Schuffner A, Oehninger S. Cryopreservation-thawing of fractionated human spermatozoa is associated with membrane phosphatidylserine externalization and not DNA fragmentation. Journal of Andrology. 2001; 22 :646-651.

Fahy G.M., Macfarlande D.R., Angell C.A., Meryman H.T. (1984) Vitrification as an approach to cryopreservation. Cryobiology 21, 407-426.

Falk M, Falková I, Kopečná O, Bačíková A, Pagáčová E, Šimek D, Golan M, Kozubek S, Pekarová M, Follett SE, Klejdus B, Elliott KW, Varga K, Teplá O, Kratochvílova I. Chromatin architecture changes and DNA replication fork collapse are critical features in cryopreserved cells that are differentially controlled by cryoprotectants. Sci Rep. 2018 October; 8 (1): 14694. doi: 10.1038/s41598-018-32939-5. PMID: 30279538; PMCID: PMC6168476.

Fuller BJ. Cryoprotectants: the essential antifreezes to protect life in the frozen state. Cryo Letters. 2004 Nov-Dec;25(6):375-88. PMID: 15660165.

Galluzzi L, Maiuri MC, Vitale I, Zischka H, Castedo M, Zitvogel L, Kroemer G (2007) Cell death modalities: classifications and pathophysiological implications. Cell Death Differ 14:1237–1243

Galvao J , Davis B , Tilley M , Normando E , Duchen MR , Cordeiro MF . Unexpected low-dose toxicity of the universal solvent DMSO. FASEB J. 28(3), 1317–1330 (2014).

Ghadially F.N.: Swollen or hydropic mitochondria, Ultrastructural Pahtology of the Cell and Matrix (Third Edition). 1988. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/mitochondrion-swelling

Ghasemi M, Turnbull T, Sebastian S, Kempson I. The MTT Assay: Utility, Limitations, Pitfalls, and Interpretation in Bulk and Single-Cell Analysis. Int J Mol Sci. 2021 Nov 26;22(23):12827. doi: 10.3390/ijms222312827. PMID: 34884632; PMCID: PMC8657538.

Gurtovenko A.A., Anwar J.: Modulating the structure and properties of cell membranes: the molecular mechanism of action of dimethyl sulfoxide. J Phys Chem B., 111(35), 2007; 10453-60.

Gualtieri, R.; Kalthur, G.; Barbato, V.; Di Nardo, M.; Adiga, SK; Talevi, R. Mitochondriálna dysfunkcia a oxidačný stres spôsobený kryokonzerváciou v reprodukčných bunkách. Antioxidanty 2021 , 10 , 337. https://doi.org/10.3390/antiox10030337

Hanslick JL , Lau K , Noguchi KK et al. Dimethyl sulfoxide (DMSO) produces widespread apoptosis in the developing central nervous system. Neurobiol. Dis. 34(1), 1–10 (2009).

Higgins AZ, Karlsson JO. Účinky expresie medzibunkového spojovacieho proteínu na tvorbu intracelulárneho ľadu v bunkách myšacieho inzulinómu . Biophys J. 2013; 105 ( 9 ): 2006-15. 10.1016/j.bpj.2013.09.028 .

Hegland, R. P.: Handbook af Fluorescent Probes and Reserch Products. Molecular Probes, Inc, 2002; p. 513-535.

Hervay, N. T. (2023). Catechin potentiates the antifungal effect of miconazole in Candida glabrata. Folia microbiologica, 10(1007). doi:10.1007/s12223-023-01061-z

https://cs.wikipedia.org/wiki/Lorentzova_s%C3%ADla, získané dňa:09.11.2022.

https://www.wjgnet.com/1949-8454/full/v5/i2/wjbc-5-169-g002.htm

http://www.dmso.org.uk/chemistry-dimethyl-sulfoxide-dmso/

Chen S.U., Yang Y.S. (2009). Slow Freezing or Vitrification of Oocytes: Their Effects on Survival and Meiotic Spindles, and the Time Schedule for Clinical Practice. Taiwanese Journal of Obstertrics and Gynecology. Published by Elsevier BV. Print ISSN: 1028-4559. 48:15.

Kaiser, D., Otto, N. M., McCallion, O., Hoffmann, H., Zarrinrad, G., Stein, M., Beier, C., Matz, I., Herschel, M., Hester, J., Moll, G., Issa, F., Reinke, P., & Roemhild, A. (2021). Freezing Medium Containing 5% ME2SO Enhances the Cell Viability and Recovery Rate After Cryopreservation of Regulatory T Cell Products ex vivo and in vivo. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 9. https://doi.org/10.3389/fcell.2021.750286

Klbik I., Čechová K., Milovská S., Rusnák J.: Cryoprotective Mechanism of DMSO Induced by the Inhibitory Effect on Eutectic NaCl Crystallization. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 48, 11153-11159.

Korber C., Scheiwe M.W., Boutron P., RauU G.: The influence of hydroxyethyl starch on ice formation in aqueous solutions. Cryobiology l9, 1982; 478-492.

Kratochvílová I, et al. Teoretická a experimentálna štúdia nemrznúceho proteínu AFP752, trehalózy a kryoprotekčného mechanizmu dimetylsulfoxidu: korelácia s kryokonzervovanou životaschopnosťou buniek. Rsc Advances. 2017; 7 :352-360. doi: 10.1039/C6RA25095E.

Kubínek R.,Šafářová K., Vujtek M.: Elektronová mikroskopie [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci Křížkovského 8, 771 47 Olomouc, 2011, 6-11 [cit. 2020-08-18]. ISBN 978-80-244-2739-3. dostupné z: fyzika.upol.cz/cs/pro-studenty/elektronova-mikroskopie

Lovelock J.E.:The haemolysis of human red blood cells by freezing and thawing. Biochim Biophys Acta 10, 1953; 414-426.

Mazur P.: Kinetics of water loss from cells at subzero temperatures and the likelihood of intracellular freezing. Journal of General Physiology 47, 1963; 47-69.

Mazur P.: The role of cell membranes in the freezing of yeast and other single cells. Ann N Y Acad Sci 125, 1965; 658-76.

Mazur P.: Freezing of living cells: mechanisms and implications. Am J Physiol, 247, 1984; 125–C142.

Mazur P., Cole K.W.: Influence of cell concentration on the contribution of unfrozen fraction and salt concentration to the survival of slowly frozen human erythrocytes. Cryobiology 22, 1985; 509-536.

Mazur P., Cole K.W.: Roles of unfrozen fraction, salt concentration, and changes in cell volume in the survival of frozen human erythrocytes. Cryobiology 26, 1989; 1-29.

Mazur P.: Principles of Cryobiology. In Fuller, BJ, Lane, N and Benson, EE (eds) Life in the Frozen State. CRC Press, Boca Raton, 2004; 3-65.

Mitchell, A., Rivas, K.A., Smith, R.: Cryopreservation of equine mesenchymal stem cells in 95 % autologous serum and 5 % DMSO does not alter post-thaw growth or morphology in vitro compared to fetal bovine serum or allogeneic serum at 20 or 95 % and DMSO at 10 or 5 %. Stem Cell Res Ther 6, 231 (2015).

Mizuno, M., Matsuzaki, T., Ozeki, N. a kol. Fluidita bunkovej membrány a rezistencia voči ROS definujú toleranciu DMSO kryokonzervovaných synoviálnych MSC a HUVEC. Stem Cell Res Ther 13 , 177 (2022). https://doi.org/10.1186/s13287-022-02850-y

Muldrew K., MCgann Le.: Mechanisms of intracellular ice formation. Biophys J 57, 1990; 525-532.

Muldrew K., MCGann L.E. : The osmotic rupture hypothesis of intracellular freezing injury. Biophys J 66, 1994; 532-541.

Murray KA, Tomás RMF, Gibson MI. Low DMSO Cryopreservation of Stem Cells Enabled by Macromolecular Cryoprotectants. ACS Appl Bio Mater. 2020 Sep 21;3(9):5627-5632. doi: 10.1021/acsabm.0c00638. 

Naaldijk Y., Friedrich-Stöckigt A., Sethe S., Stolzing A.: Comparison of different cooling rates for fibroblast and keratinocyte cryopreservation. J Tissue Eng Regen Med. 2016, 10(10), 354-E364.

Naaldijk Y, Johnson AA, Friedrich-Stöckigt A, Stolzing A.: Cryopreservation of dermal fibroblasts and keratinocytes in hydroxyethyl starch-based cryoprotectants. BMC Biotechnol. 2016, 16(1):85.

Nebesářová, J.: Transmission Electron Microscopy. Elektronová mikroskopie pro biology 2001 [online]. [cit. 2022-08-26]. dostupné z: http://triton.paru.cas.cz/oldlem/book/Podkap/3.6.html.

Němeček, D.: Anatomy of the Electron Microscope. C9940 3- Dimensional Transmission Electron Microscopy (3DEM). [online]. dostupné z: https://is.muni.cz/auth/el/sci/jaro2015/C9940/.

Pasch, J., Schiefer, A., Heschel, I., & Rau, G. (1999). Cryopreservation of keratinocytes in a monolayer. Cryobiology, 39(2). https://doi.org/10.1006/cryo.1999.2197

Polák Š. a kol.: Atlas ultraštruktúry ľudských orgánov v rastrovacom elektrónovom mikroskope, LF UK v Bratislave, 2022, ISBN: 978-80-223-5347-2.

Saraste A., Pulkki K.: Morphological and biochemical features of apoptosis, Cardiovasc Res. 2000, 45(3), 528-37.

Shimada K., Asahina E.: Visualization of intracellular ice crystals formed in very rapidly frozen cells at -27 degree C. Cryobiology 12,1975;  209-218.

Terwilliger T. C., Solomon A.K.:  Osmotic water permeability of human red cells. J Gen Physiol 77, 1981, 549-570.

Trubiani O , Ciancarelli M , Di Primio R . Cell differentiation is associated to DMSO-induced programmed cell death. Biochem. Soc. Trans. 24(4), S555 (1996).

Trubiani O , Ciancarelli M , Rapino M , Di Primio R . Dimethyl sulfoxide induces programmed cell death and reversible G1 arrest in the cell cycle of human lymphoid pre-T cell line [Internet]. 50(1–2), 51–57 (1996).

Trubiani O , Pieri C , Rapino M , Di Primio R . The c-myc gene regulates the polyamine pathway in DMSO-induced apoptosis. Cell Prolif. 32(2–3), 119–129 (1999).

Trubiani O , Salvolini E , Staffolani R , Di Primio R , Mazzanti L . DMSO modifies structural and functional properties of RPMI-8402 cells by promoting programmed cell death. Int. J. Immunopathol. Pharmacol. 16(3), 253–259 (2003).

Tullis JL, Gibson JG, Sproul MT, Tinch RJ, Baudanze P. Advantages of the high glycerol mechanical systems for red cell preservation: a 10-year study of stability and yield. In: Spielmann W, Seidl S, editors. Modern Problems of Blood Preservation. Stuttgart: Fischer; 1970. pp. 161–167.

Wilke B., Bandemir B. (1989). Methodische Aspekte bei der Kultivierung humaner Keratinozyten [Methodologic aspects in cultivating human keratinocytes]. Dermatol Monatsschr 175(10):635-46. German. PMID: 2591615.

Williams R. J., Shaw S.K.: The relationship between cell injury and osmotic volume reduction: II. Red cell lysis correlates with cell volume rather than intracellular salt concentration. Cryobiology 17, 1980; 530-539.

Wolkers WF, Balasubramanian SK, Ongstad EL, Bischof JC. Effects of freezing on membranes and proteins in LNCaP prostate tumor cells. Biochim Biophys Acta. 2007;1768:728–736.

Wyllie AH, Kerr JFR, Currie AR (1980) Cell death: the significance of apoptosis. Int Rev Cytol 68:251–306 [PubMed] [Ref list]

Yi X , Liu M , Luo Q et al. Toxic effects of dimethyl sulfoxide on red blood cells, platelets, and vascular endothelial cells in vitro . FEBS Open Bio., 7(4), 485–494 (2017).

Yuan C , Gao J , Guo J et al. Dimethyl sulfoxide damages mitochondrial integrity and membrane potential in cultured astrocytes. PLoS ONE 9(9), e107447 (2014).

Yusuf K.: Cell viability and proliferation. Encyclopedia of Biomedical Engineering, 2019.

Zhao Y , Yang C , Chen X , Peng M , Chen X , Zeng D . Effects of cryopreservation on ultrastructural morphology of white shrimp (Litopenaeus vannamei) sperm. Cryo Letters. 2017 Sep/Oct;38(5):357-363. PMID: 29734402.

Zhang, Y., Chen, X., Gueydan, C. et al. Plasma membrane changes during programmed cell deaths. Cell Res 28, 9–21 (2018). https://doi.org/10.1038/cr.2017.133