Використання наноматеріалів у кріобіології та кріомедицині
DOI:
https://doi.org/10.15407/cryo30.04.313Ключові слова:
кріобіологія, нанотехнології, наночастинки, нановідігрів, кріоаблаціяАнотація
У огляді розглядається можливість використання сучасних нанотехнологічних розробок з метою досягнення альтернативних кріобіологічних цілей. З одного боку, застосування наноматеріалів дозволить підвищити функціональну повноцінність деконсервованих клітин завдяки таким унікальним характеристикам наночастинок, як розмір, форма, поверхневий заряд, хімічний склад тощо. Наноматеріали можуть використовуватися у якості наноконтейнерів для непроникальних кріопротекторів та викликати суттєві зміни кристалоутворення, теплопровідності та інших властивостей клітин, тканин і органів, що підвищує ефективність їх кріоконсервування. З іншого боку, поєднане застосування наноматеріалів і факторів низькотемпературного заморожування вважається перспективним методом деструкції патологічно змінених клітин і тканин, оскільки мінімізує ризик виникнення рецидивів онкопатології після недостатнього проморожування пухлинного сайту.
Probl Cryobiol Cryomed 2020; 30(4): 313–330
Посилання
Basu S, Binder RJ, Suto R, et al. Necrotic but not apoptotic cell death releases heat shock proteins, which deliver a partial maturation signal to dendritic cells and activate the NF-kappa B pathway. Int Immunol. 2000; 12(11): 1539-46. CrossRef
Bischof J. Nanowarming: A new concept in tissue and organ preservation. Cryobiology [Internet]. 2015 [Cited 8.01.2020]; 71(1): 176. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011224015001236 CrossRef
Blanc G. Sur les nanotechnologies. Futunbles. 2004; 293: 57-62.
Brockbank KGM, Chen Z, Greene ED, Campbell LH. Vitrification of heart valve tissues. In: Wolkers FW, Oldenhof H, editors. Cryopreservation and freeze-drying protocols. New York: Springer; 2015. p. 399-421. CrossRef
Chauhan VP, Stylianopoulos T, Martin JD, et al. Normalization of tumour blood vessels improves the delivery of nanomedicines in a size-dependent manner. Nat Nanotechnol. 2012; 7(6): 383-8. CrossRef
Choi SUS, Eastman JA. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, developments and application of non-newtonian flows. In: Siginer DA, Wang HP, editors. Developments and applications of non-newtonian flows. New York: ASME; 1995. p. 99-105.
Cooper IS, Lee AS. Cryostatic congelation: a system for producing a limited, controlled region of cooling or freezing of biologic tissues. J Nerv Ment Dis. 1961; 133: 259-63. CrossRef
Di DR, He ZZ, Sun ZQ, Liu J. A new nano-cryosurgical modality for tumor treatment using biodegradable MgO nanoparticles. Nanomedicine. 2012; 8(8): 1233-41. CrossRef
Eroglu A, Lawitts JA, Toner M, Toth TL. Quantitative microinjection of trehalose into mouse oocytes and zygotes, and its effect on development. Cryobiology. 2003; 46(2): 121-34. CrossRef
Etheridge ML, Xu Y, Rott L, et al. RF heating of magnetic nanoparticles improves the thawing of cryopreserved biomaterials. Technology. 2014; (2): 229-42. CrossRef
Farokhzad OC, Langer R. Impact of nanotechnology on drug delivery. ACS Nano. 2009; 3(1): 16-20. CrossRef
Fuller BJ. Cryoprotectants: the essential antifreezes to protect life in the frozen state. CryoLetters. 2004; 25(6): 375-88.
Gage AA, Baust JG. Mechanisms of tissue injury in cryosurgery. Cryobiology. 1998; 37(3): 171-86. CrossRef
Goel R, Anderson K, Slaton J, et al. Adjuvant approaches to enhance cryosurgery. J Biomech Eng. [Internet]. 2009 July 28 [cited 22.10.2019]; 131(7): 074003. Available from: https://asmedigitalcollection.asme.org/biomechanical/article-abstract/131/7/074003/400489/Adjuvant-Approaches-to-Enhance-Cryosurgery?redirectedFrom=fulltext CrossRef
Goltsev AM, Bondarovych MO, Babenko NM, et al. Freezing levels determine successful cryoablation of Ehrlich carcinoma cells. In Risco R, Corral A. editors. Society for Low Temperature Biology. Proceedings of the 55th SLTB Scientific Conference, 2-4, 2019, Seville, Spain. Seville; 2019. p 54.
Goltsev AN, Babenko NN, Gaevskaya YA, et al. Nanotechniques inactivate cancer stem cells. Nanoscale Res Lett. [Internet]. 2017 June 15 [cited 05.11.2018]; 12(1): 415. Available from: https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-017-2175-9 CrossRef
Goltsev AN, Babenko NN, Gaevskaya YuA, et al. [Capability of orthovanadate-based nanoparticles to in vitro identification and in vivo inhibition of cancer stem cells.] Nanosystems, nanomaterials, nanotechnologies; 2013; 11 (4): 729-39. Russian
Goltsev AN, Babenko NN, Gaevskaya YuA, et al. Application of nanoparticles based on rare earth orthovanadates to inactivate Ehrlich carcinoma growth. Biotechnol Acta. 2015; 8(4): 113-21. CrossRef
Guha A, Devireddy RV. Effect of palmitoyl nanogold particles on the subzero thermal properties of phosphate buffered saline solutions. J Nanotechnol Eng Med. [Internet]. 2010 May 5 [cited 04.09.2019]; 1(2): 021004. Available from: https://asmedigitalcollection.asme.org/nanoengineeringmedical/article-abstract/1/2/021004/418110/Effect-of-Palmitoyl-Nanogold-Particles-on-the?redirectedFrom=fulltext CrossRef
Gun'ko VM, Turov VV, Bogatyrev VM, et al. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces. Adv Colloid Interface Sci. 2005; 118(1-3): 125-72. CrossRef
Gun'ko VM, Turov VV, Gorbic PP. [Water at the interface boundaries]. Kyiv: Naukova Dumka; 2009. 694 p. Russian
Gun'ko VM, Zarko VI, Goncharuk EV, et al. [Low-temperature dipolar relaxation in bovine serum albumin-nanooxide-water systems.]. Surface. 2009; 16 (1):14-25. Russian
Han B, Iftekhar A, Bischof JC. Improved cryosurgery by use of thermophysical and inflammatory adjuvants. Technol Cancer Res Treat. 2004; 3(2):103-11. CrossRef
Han X, Ma HB, Wilson C, Crister JK. Effects of nanoparticles on the nucleation and devitrification temperatures of polyol cryoprotectant solutions. Microfluidics and nanofluidics. 2008; 4(4): 357-61. CrossRef
Hao B, Liu B. Thermal properties of PVP cryoprotectants with nanoparticles. J Nanotechnol Eng Med. [Internet]. 2011 May 19 [cited 15.10.2019]; 2(2): 021015. Available from: https://asmedigitalcollection.asme.org/nanoengineeringmedical/article-abstract/2/2/021015/467070/Thermal-Properties-of-PVP-Cryoprotectants-With?redirectedFrom=fulltext CrossRef
He X, Bischof JC. Multiscale technologies for cryomedicine: implementation from nano to macroscale. Singapore: World Scientific; 2016. 374 р CrossRef
Hrechyshnikova MP, Goloyad MA, Lipina OV, et al. Application of solutions of cerium dioxide and gadolinium orthovanadate nanosized particles in hypothermic storage of spirulina platensis cell culture. Probl Cryobiol Cryomed. 2018; 28(2):173. CrossRef
Isaac AV, Kumari S, Nair R, et al. Supplementing zinc oxide nanoparticles to cryopreservation medium minimizes the freeze-thaw-induced damage to spermatozoa. Biochem Biophys Res Commun. 2017; 494(3-4): 656-62. CrossRef
Jana S, Salehi-Khojin A, Zhong WH. Enhancement of fluid thermal conductivity by the addition of single and hybrid nano-additives. Thermochim Acta. 2007; 462 (1-2): 45-55. CrossRef
Jansen MC, van Hillegersberg R, Schoots IG, et al. Cryoablation induces greater inflammatory and coagulative responses than radiofrequency ablation or laser induced thermotherapy in a rat liver model. Surgery. 2010; 147(5): 686-95. CrossRef
Jiang J, Goel R, Schmechel S, et al. Pre-conditioning cryosurgery: cellular and molecular mechanisms and dynamics of TNF-α enhanced cryotherapy in an in vivo prostate cancer model system. Cryobiology. 2010; 61(3): 280-8. CrossRef
Kang HU, Kim SH, Oh JM. Estimation of thermal conductivity of nanofluid using experimental effective particle volume. Experimental Heat Transfer. [Internet]. 2006 Sep 1; [cited 10.10.2019] 19 (3): 181-91. Available from: https://koreauniv.pure.elsevier.com/en/publications/estimation-of-thermal-conductivity-of-nanofluid-using-experimenta CrossRef
Keblinski P, Phillpot SR, Choi SUS, Eastman JA. Mechanism of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluids). Int J Heat Mass Transfer. 2002; 45 (4): 855-63. CrossRef
Khalil WA, El-Harairy MA, Zeidan AEB, Hassan MAE. Impact of selenium nano-particles in semen extender on bull sperm quality after cryopreservation. Theriogenology. 2019; 126: 121-7. CrossRef
Khosla K, Wang Y, Hagedorn M, et al. Gold nanorod induced warming of embryos from the cryogenic state enhances viability. ACS Nano. 2017; 11(8):7869-78. CrossRef
Kirdaite G, Leonaviciene L, Bradunaite R, et al. Antioxidant effects of gold nanoparticles on early stage of collagen-induced arthritis in rats. Res Vet Sci. 2019; 124: 32-7. CrossRef
Kobayashi A, Golash HN, Kirschvink JL. A first test of the hypothesis of biogenic magnetite-based heterogeneous ice-crystal nucleation in cryopreservation. Cryobiology. 2016; 72(3): 216-24. CrossRef
Li WJ, Zhou XL, Liu BL, et al. Effect of nanoparticles on the survival and development of vitrified porcine GV oocytes. CryoLetters. 2016; 37(6): 401-5.
Liu J, Deng Z-S. Nano-cryosurgery: advances and challenges. J Nanosci Nanotechnol. 2009; 9(8): 4521-42. CrossRef
Liu MS, Lin MC, Tsai CY, Wang CC. Enhancement of thermal conductivity with Cu for nanofluids using chemical reduction method. Int J Heat Mass Transfer. 2006; 49 (17-18): 3028-33. CrossRef
Lv F, Liu B, Li W, Jaganathan GK. Devitrification and recrystallization of nanoparticle-containing glycerol and PEG-600 solutions. Cryobiology. 2014; 68(1): 84-90. CrossRef
Manuchehrabadi N, Gao Z, Zhang J, et al. Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticle. Sci Transl Med. [Internet]. 2017 Mar 1 [cited 15.10.2019]; 9 (379): eaah4586. Available from: https://stm.sciencemag.org/content/9/379/eaah4586.short CrossRef
Marin-Guzman J, Mahan D, Whitmoyer R. Effect of dietary selenium and vitamin E on the ultrastructure and ATP concentration of boar spermatozoa, and the efficacy of added sodium selenite in extended semen on sperm motility. J Anim Sci. 2000; 78(6): 1544-50. CrossRef
Maxwell JC. A treatise on electricity and magnetism. Oxford: Clarendon Press; 1881. 435 p.
Montiel Schneider MG, Martin MJ, Coral DF, et al. Selective contrast agents with potential to the earlier detection of tumors: Insights on synthetic pathways, physicochemical properties and performance in MRI assays. Colloids Surf B Biointerfaces. 2018; 170: 470-8. CrossRef
Oliver AE, Jamil K, Crowe JH, Tablin F. Loading human mesenchymal stem cells with trehalose by fluid-phase endocytosis. Cell Preserv Technol. 2004; 2(1): 35-49. CrossRef
Patel HE, Das SK, Sundararajan T, et al. Thermal conductivities of naked and monolayer protected metal nanoparticle based nanofluids: manifestation of anomalous enhancement and chemical effects. Appl Phys Lett. [Internet]. 2003 September 30 [cited 10.10.2019]; 83:2931. Available from: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1602578. CrossRef
Pavlovich EV, Volkova NA. Influence of gold nanoparticles on human fibroblast before and after cryopreservation. In: Fesenko O, Yatsenko L, editors. Nanoplasmonics, nano-optics, nanocomposites, and surface studies. Cham: Springer International Publishing; 2015. p. 413-20. CrossRef
Rao W, Huang H, Wang H, et al. Nanoparticle-mediated intracellular delivery enables cryopreservation of human adipose-derived stem cells using trehalose as the sole cryoprotectant. ACS Appl Mater Interfaces. 2015; 7(8): 5017-28. CrossRef
Robilotto AT, Baust JM, Van Buskirk RG, et al. Temperature-dependent activation of differential apoptotic pathways during cryoablation in a human prostate cancer model. Prostate Cancer Prostatic Dis. 2013; 16(1): 41-9. CrossRef
Safa S, Moghaddam G, Jozani RJ, et al. Effect of vitamin E and selenium nanoparticles on post-thaw variables and oxidative status of rooster semen. Anim Reprod Sci. 2016; 174:100-6. CrossRef
Sanjay SS, Pandey AC, Kumar S, Pandey AK. Cell membrane protective efficacy of ZnO nanoparticles. SOP Trans Nano-tech. 2014; 1(1): 21-9. CrossRef
Shcherbakov АB, Zholobak NМ, Ivanov VК, et al. [Nanomaterials based on the nanocrystalline ceric dioxode: properties and use perspectives in biology and medicine]. Biotekhnolohiia. 2011; 4 (1): 9-28. Russian.
Stefanic M, Ward K, Tawfik H, et al. Apatite nanoparticles strongly improve red blood cell cryopreservation by mediating trehalose delivery via enhanced membrane permeation. Biomaterials. 2017; 140: 138-49. CrossRef
Thomé S, Craze J, Mitchell C. Dimethylsulfoxide-induced serum hyperosmolality after cryopreserved stem-cell graft. Lancet. 1994; 344(8934): 1431-2. CrossRef
Wang B, Liu G, Balamurugan V, et al. Apatite nanoparticles mediate intracellular delivery of trehalose and increase survival of cryopreserved cells. Cryobiology. 2019; 86: 103-10. CrossRef
Wang J, Zhao G, Zhang Z, et al. Magnetic induction heating of superparamagnetic nanoparticles during rewarming augments the recovery of hUCM-MSCs cryopreserved by vitrification. Acta Biomater. 2016; 33: 264-74. CrossRef
Wang L, Fan J. Toward nanofluids of ultra-high thermal conductivity. Nanoscale Res Lett. [Internet]. 2011 Feb 18 [cited 10. 10. 2019]; 6 (1): 153. Available from: https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/1556-276X-6-153. CrossRef
Wang T, Zhao G, Liang XM, Xu YP. Numerical simulation of the effect of superparamagnetic nanoparticles on microwave rewarming of cryopreserved tissues. Cryobiology. 2014; 68(2): 234-43. CrossRef
Warrier P, Teja A. Effect of particle size on the thermal conductivity of nanofluids containing metallic nanoparticles. Nanoscale Res Lett. [Internet]. 2011 Mar 22; [cited 09.09.2019]; 6(1): 247. Available from: https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/1556-276X-6-247. CrossRef
Wu Z, Chen J, Sun Y, et al. Tumor microenvironment-response calcium phosphate hybrid nanoparticles enhanced sirnas targeting tumors in vivo. J Biomed Nanotechnol. 2018; 14(10): 1816-25. CrossRef
Xie H, Fujii M, Zhang X. Effect of interfacial nanolayer on the effective thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture. Int J Heat Mass Transfer. 2005; 48(14): 2926-32. CrossRef
Xu Y, Yu HM, Niu YQ, Luo S.C, Cheng X. Effects of superparamagnetic nanoparticles on nucleation and crystal growth in the vitrified VS55 during warming. CryoLetters. 2016; 37(6): 448-54.
Yan J-F, Liu J. Nanocryosurgery and its mechanisms for enhancing freezing efficiency of tumor tissues. Nanomedicine. 2008; 4(1): 79-87. CrossRef
Ye P, Kong Y, Chen Xi, Li W. et al. Fe3O4 nanoparticles and cryoablation enhance ice crystal formation to improve the efficiency of killing breast cancer cells. Oncotarget. 2017; 8(7): 11389-99. CrossRef
Yi J, Tang H, Zhao G. Influence of hydroxyapatite nanoparticles on the viscosity of dimethyl sulfoxide-H2O-NaCl and glycerol-H2O-NaCl ternary systems at subzero temperatures. Cryobiology. 2014; 69(2): 291-8. CrossRef
Yi J, Zhao G. Effect of hydroxyapatite nanoparticles on biotransport phenomena in freezing HeLa cells. J Nanotechnol Eng Med. [Internet]. 2014 November 1 [cited 15.10.2019]; 5(4): 040904. Available from: https://asmedigitalcollection.asme.org/nanoengineeringmedical/article-abstract/5/4/040904/374691/Effect-of-Hydroxyapatite-Nanoparticles-on?redirectedFrom=fulltext
Yu TH, Liu J, Zhou YX. Selective freezing of target biological tissues after injection of solutions with specific thermal properties. Cryobiology. 2005; 50(2): 174-82. CrossRef
Zhang W, Gilstrap K, Wu L, et al. Synthesis and characterization of thermally responsive pluronic F127-chitosan nanocapsules for controlled release and intracellular delivery of small molecules. ACS Nano. 2010; 4(11): 6747-59. CrossRef
Zhang W, Rong J, Wang Q, He X. The encapsulation and intracellular delivery of trehalose using a thermally responsive nanocapsule. Nanotechnology [Internet]. 2009 Jun 16 [cited 14.11.2019]; 20(27): 275101. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/20/27/275101 CrossRef
Zhou X, Li W, Zhang D, Dai J. Hydroxyapatite nanoparticles improved survival rate of vitrified porcine oocytes and its mechanism. CryoLetters. 2015; 36(1): 45-50.
Zhou XL, Yuan J, Liu JF, Liu BL. Loading trehalose into red blood cells by electroporation and its application in freeze-drying. CryoLetters. 2010; 31(2): 147-56.
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Anatoliy M. Goltsev, Mykola O. Bondarovych, Natalya M. Babenko, Yuliya O. Gaevska, Tatiana G. Dubrava, Maksim V. Ostankov
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
