La crioconservazione usa il freddo per arrestare l'invecchiamento delle cellule. Basi scientifiche, campi applicativi e limiti di questa tecnica d'avanguardia per preservare i tessuti degli esseri viventi, verranno esaminate tentando di esporle in modo semplice e chiaro.

Crioconservazione di cellule umane


Premesse

Questa pagina web sulla crioconservazione ha fini divulgativi e si limita a considerare la crioconservazione di cellule umane. Mi scuso fin da ora con chi troverà a volte troppo tecnico il gergo utilizzato. Cercando di semplificare troppo i concetti si corre il rischio di esprimerli male, e a spiegarli in modo approfondito, con proprietà di linguaggio, si rischia di diventare noiosi. Che dire... spero di aver trovato un compromesso accettabile tra i due rischi che stò correndo nello scrivere queste righe.

Il termine "crioconservazione" significa "conservazione attraverso il congelamento" e, prima di cercare di dipanare i gelidi misteri di questa recentissima tecnica, penso che valga la pena di vederne alcuni applicazioni pratiche, in modo da percepirne l'utilità.

Ecco alcuni possibili scenari.


Fare e disfare

Per comprendere il principio che stà alla base della crioconservazione occorre capire per sommi capi cosa si intende per metabolismo e come la crioconservazione possa fermarlo.

Il movimento delle sostanze e le reazioni chimiche, che tra di esse avvengono, sono alla base della vita. Continuamente, all'interno del nostro corpo, le molecole delle sostanze che introduciamo mangiando, bevendo e respirando, vengono rotte e i loro frammenti vengono ricomposti per formare altre sostanze, quelle di cui le cellule hanno bisogno per rigenerarsi continuamente. Questa attività chimico-fisica di continuo scambio, distruzione e costruzione di nuove molecole, si chiama metabolismo.

Dobbiamo la vita al disordine

E' intuitivo pensare che, per rompere i legami delle molecole e crearne di nuovi, occorra una certa dose di energia che le faccia scontrare abbastanza violentamente tra di loro. Questa energia cinetica, di movimento disordinato delle molecole, è il calore. Senza il calore le reazioni chimiche non possono iniziare. Una volta che le reazioni sono iniziate, entra in gioco anche l'energia chimica dei legami che si rompono e si ricostituiscone, che può apportare il calore necessario a mantenere attive le reazioni chimiche (reazioni esotermiche). Talvolta invece le reazioni chimiche, al contrario, assorbono energia, riducendo il calore e tendendo a spegnersi (reazioni endotermiche), per cui il calore deve essere aggiunto continuamente.

Come si è detto il calore è una forma di energia, ma l'energia a disposizione è un po' come il cibo: un chilo di pasta è moltissimo per il pasto di una persona ma non riuscirebbe a sfamarne 100. Similmente l'efficacia del calore dipende da quanto lo si concentra in una determinata zona e l'indice che ne misura la concentrazione è la temperatura. La temperatura misura infatti quanto mediamente si agitano le molecole, poche o tante che siano.

Occorre quindi che la temperatura di una cellula sia sufficentemente elevata, ovvero che ci sia abbastanza movimento caotico nelle molecole che la costituiscono, affinche le reazioni chimiche possano avvenire al suo interno per mantenerla in vita.

Immagino che, a questo punto, molte persone storceranno il naso, ma bisogna arrendersi all'evidenza: dobbiamo la vita al disordine: il disordine caotico dei movimenti microscopici dell'intima struttura dei nostri tessuti, che si traduce però nell'armonia delle forme e dei processi vitali degli organismi viventi.

Mettere ordine tra le molecole per arrestare il tempo

Se immaginiamo di continuare a togliere l'energia termica per rallentare il movimento disordinato delle molecole, le temperatura (che misura l'agitazione delle molecole) si abbassa, le sostanze si muovono sempre più lentamente e le reazioni chimiche fanno sempre più fatica ad avvenire fino a che si fermano del tutto e la vita della cellula rimane sospesa in un eterno presente, quello della crioconservazione.

Basta dunque congelare un organismo vivente per rallentarne o addirittura arrestarne l'invecchiamento? La risposta è "si", ma per ottenere una corretta crioconservazione delle cellule, nella pratica, si incontrano alcuni problemi.

Il problema principale è che gli organismi viventi che si vogliono sottoporre a crioconservazione, sono costituiti in gran parte di acqua, che, congelando, aumenta di volume e tende a formare cristalli aghiformi. Questi microscopici pugnali di ghiaccio distruggono le pareti delle cellule. Infatti se mettiamo nel congelatore di casa una foglia di insalata croccante e poi la decongeliamo, ci accorgiamo che cambia completamente il suo aspetto diventando scura e molle, proprio perchè i cristalli di ghiaccio che si sono formati durante il congelamento hanno rotto le pareti delle cellule.

Nel processo di congelamento che prepara la crioconservazione, la formazione dei cristalli di ghiaccio dipende dal fatto che le molecole di acqua, raffreddandosi, riducono la loro agitazione disordinata e, ad una certa temperatura, l'agitazione non riesce più a vincere le forze elettrostatiche che tendono a legare tra di loro le molecole in modo ordinato (legami idrogeno rappresentati con delle nuvole azzurre in figura). Continuando a sottrarre calore le molecole d'acqua si legano tra di loro e non possono più scorrere reciprocamente, così l'acqua si solidifica trasformandosi in ghiaccio. La disposizione ordinata delle molecole d'acqua nel ghiaccio, crea spazi vuoti tra le molecole e questo è il motivo per cui l'acqua quando si trasforma in ghiaccio aumenta di volume.

Le molecole d'acqua si attaccano ordiatamente ai piccoli cristalli di ghiaccio in formazione ruotando e spostandosi. A loro volta, i piccoli cristalli si legano tra di loro ruotando e spostandosi per formare cristalli di grosse dimensioni.

Come contrastare la formazione dei cristalli di ghiaccio?

Per contrastare la formazione dei cristalli si agisce sia aggiungendo una sostanza che rallenti i movimenti e contrasti la formazione dei legami idrogeno (crioprotettore) sia rendendo molto rapido il congelamento, in modo da non dare il tempo alle molecole di orientarsi.

Una sostanza molto comune che può avere funzioni di crioprotezione (protezione in fase di congelamento) è il glucosio. La sua azione si può provare con un semplice esperimento casalingo. Se si mette nel congelatore un bicchiere di acqua in cui è stato aggiunto molto sciroppo, il ghiaccio che si forma, piuttosto che congelarsi in un unico blocco, si suddivide in finissimi cristalli che possono essere scavati con un cucchiaino, ottenendo una granita di consistenza finissima, molto gradevole.

Tale principio di crioprotezione è sfruttato in natura da alcune rane, che riescono a resistere al congelamento aumentando molto la concentrazione di glucosio nel loro sangue: è impressionante vedere come si riprendano e tornino in vita dopo essere rimaste congelate tutto l'inverno!

In laboratori al glucosi come crioprotettore, si preferisce il DMSO (dimetilsolfossido, noto anche come metilsulfonilmetano, MSM) che ha la proprietà di penetrare rapidamente in profondità nelle strutture biologiche. Per abbassare la temperatura rapidamente e a livelli molto bassi si fa uso di azoto liquido a -196°C.

Raffreddandola con l'azoto liquido, protetta dal DMSO, la cellula arresta completamente le sue funzioni e può rimanere ibernata per decine di anni senza invecchiare, pronta a tornare a vivere quando viene decongelata.

Il DMSO ha però un'azione tossica, seppure modesta, e quindi occorre dosarlo opportunamente per metterne solo lo stretto necessario se non si vuole correre il rischio che la cellula non si riprenda in fase di decongelamento.

Occorre anche osservare che il pericolo di formazione di grossi critalli è maggiore per le cellule di grande dimensione come gli ovociti (cellule uovo umane) e questo è il motivo per cui la tecnica di crioconservazione è stata applicata prima agli spermatozooi che sono molto piccoli, poi agli embrioni allo stadio di blastocisti (stadio iniziale in cui non è ancora iniziata la differenziazione cellulare) che hanno cellule (blastomeri) di modesta grandezza. Solo recentemente la crioconservazione è stata applicata con successo alle cellule uovo (dette anche ovociti, oociti o ovuli), proprio per la difficoltà di prevenire la formazione di cristalli di ghiaccio in cellule tanto grandi (nella figura a lato si intuisce chiaramente la proporzione tra spermatozoo e cellula uovo).

La necessità di aumentare la dose di crioprotettore (DMSO) nella crioconservazione delle cellule uovo rispetto alla quantità più bassa utilizzabile per la crioconservazione degli embrioni, porta ad una minore resa del processo di crioconservazione delle cellule uovo. Tuttavia il maggior rischio che la crioconservazione possa danneggiare la cellula uovo rispetto all'embrione è ampiamente compensato dal fatto che distruggere una cellula uovo non pone alcun problema etico e quindi di cellule uovo se ne possono conservare in sovrannumero senza probemi, cosa che non si può certo dire per gli embrioni.

La crioconservazione per vitrificazione

Come già accennato in precedenza, se nella praparazione alla crioconservazione si aumentare la rapidità di congelamento, le molecole e i cristalli hanno meno tempo per orientarsi perchè si legano tra di loro più rapidamente. Ne risulta una minore probabilità di formazione di grossi cristalli di ghiaccio. Per ottenere la maggior rapidità di congelamento possibile, si mettono le cellule a diretto contatto con l'azoto liquido. Questa tecnica si chiama "vitrificazione" e ha permesso di ottenere un miglioramento della vitalità delle cellule in fase di decongelamento, riducendo la quantità di DMSO necessaria.

L'ibernazione del corpo umano

Nelle considerazioni fatte fino ad ora, abbiamo parlato della singola cellula, ma gli organismi umani in fondo non sono altro che immensi condomini di cellule. Cosa impedirebbe di applicare la crioconservazione anche all'intero corpo umano? Sarebbe senza dubbio una bella cosa poter arrestare l'evolvere di una malattia incurabile in attesa che la scienza medica scopra il modo di curarla. Abbiamo però già visto come il congelamento lento produca la distruzione delle cellule a causa della crescita dei cristalli di ghiaccio e un corpo umano ha dimensioni notevoli, troppo grandi per permettere un rapido congelamento delle cellule al suo interno. La crioconservazione del corpo umano, per questo motivo, è ancora confinata alla fantascienza e al momento non si vedono soluzioni al problema. Allo stato attuale della ricerca è quindi possibile solo la crioconservazione di tessuti suddivisibili in piccoli gruppi di cellule, come le frazioni del sangue, o preparati tissutali, sezionati in fette sottili.