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生物学的冷凍の奇跡: なぜ一部の生物は-196℃でも生き残ることができるのか?
科学界では、クライオニクスは常に生命の継続を探求する上で重要な方向性となってきました。バイオフリーズ、つまり冷凍保存は、細胞、組織、臓器を凍結して保存期間を延ばすことを目的としています。この技術により、低温（通常は液体窒素を使用して -80°C または -196°C）で凍結することにより、生物学的材料に損傷を与える可能性のある細胞代謝を効果的に停止できます。
この技術は、生物学的サンプルの保存に重要な役割を果たすだけでなく、生物学的サンプルを長距離輸送する際にも大きな役割を果たします。凍結プロセス中に細胞が受ける浸透圧ショックと物理的ストレスを軽減するために、研究者は凍結保護剤 (CPA) と呼ばれる特殊な分子を添加してこれらのリスクを軽減することがよくあります。これらの凍結防止剤は、樹木、森の蛙、クマムシなど、寒さに耐えられる自然界の生き物からヒントを得ています。
「クマムシなどの微生物は、内部の水分のほとんどを糖に置き換えることで凍結を防ぎ、細胞膜を損傷する可能性のある結晶化を防ぎます。」
自然な冷凍保存の例
自然界には、驚くべき不凍能力を持つ生物が数多く存在します。例えば、アメリカヤマガエルは冬に備えて血液やその他の組織に尿素を蓄積することができます。体内に氷の結晶が形成されると、肝臓のグリコーゲンも大量にブドウ糖に変換されます。これらの物質はすべて凍結防止剤として作用し、氷の形成を制限し、細胞の浸透収縮を軽減します。研究によれば、カエルは体内の水分の65%が損なわれない限り、冬の間何度も凍結と融解を繰り返しても生き残ることができるそうです。
冷凍保存の歴史
1953 年にジェームズ ラブロックによって提唱された冷凍保存の初期の理論では、凍結プロセス中に赤血球が損傷するのは主に浸透圧によるものだとされていました。彼は一連の実験を行い、ハムスターなどの一部の動物は、ゆっくりと冷却する条件下で水分含有量の 60% が凍結しても耐えられることを実証しました。
極低温技術の進歩により、1954年に人体の冷凍保存が応用段階に入り、1966年に初めて人体の冷凍保存が行われました。 1967年、ジェームズ・ベッドフォードの遺体は、将来復活することを願って史上初めて冷凍保存された。
凍結保存中のリスク
凍結保存中、細胞は、溶液効果、細胞外氷結晶形成、脱水、細胞内氷結晶形成など、さまざまな損傷のリスクに遭遇する可能性があります。これらの影響は凍結防止剤によって軽減できますが、凍結後は保存された物質のさらなる損傷に対する保護が強化されます。
「細胞が凍結するとき、冷却速度が十分に遅ければ、十分な水分が細胞から放出され、致命的な内部氷結晶の形成を回避できます。」
凍結保存のリスクに対する主な予防方法
凍結療法による損傷を防ぐための主な技術には、冷却速度の制御と低速凍結のほか、ガラス化と呼ばれる新しい技術があります。低速プログラム凍結技術は、ヒト、動物、細胞生物学などの分野で広く使用されています。
ガラス化プロセスではサンプルが急速に冷却され、氷の結晶の形成が防止されるため、凍結プロセス中の潜在的な損傷が軽減されます。この技術は 1980 年代半ばから生殖凍結保存に導入され、現在までにさまざまな臨床診療で効果的に適用されてきました。
バイオテクノロジーにおける凍結保存の重要性
科学技術の発展に伴い、凍結保存の応用は生物学的サンプルの保存に限定されず、遺伝子治療や幹細胞研究などの分野にも拡大されるでしょう。凍結保存技術は、将来の生物学研究と臨床応用に幅広い展望をもたらします。
生存の脅威に直面している多くの人々や生物にとって、この技術の進歩は将来新しい生命を見つける可能性を意味します。これは私たちが深く考える価値があるのではないでしょうか。
