Zespół
Maciej Murawski
Tomasz Schwarz
Zdzisław Oszczęda
Igor Elkin

Istota wynalazku

Zastosowanie biotechnik wspomagania rozrodu zwierząt domowych i dzikich a także ludzi napotyka na problemy, związane z biologiczną barierą wpływu procedur biotechnologicznych na przeżywalność i wartość biologiczną komórek rozrodczych i zarodków. Momentem krytycznym każdej biotechniki jest konieczność konserwacji gamet lub zarodków w celu późniejszego użycia. W przypadku zwierząt, konserwacja podnosi wydajność i efektywność stosowanej metody, w przypadku ludzi, dodatkowo stanowi element łagodzący moralno-etyczne dylematy co do postępowania z tzw. nadprogramowymi zarodkami powstającymi w procedurze leczenia zaburzeń płodności techniką zapłodnienia in vitro. Jedyną metodą konserwacji gamet i zarodków warunkującą ich przeżycie, zachowanie potencjału biologicznego i tym samym możliwość późniejszego użycia w dowolnym i w zasadzie nieograniczonym terminie, jest zamrożenie w ciekłym azocie. Proces ten jest jednak bardzo niebezpieczny dla integralności i funkcji życiowych komórek i może powodować nieodwracalne uszkodzenia. W tym przypadku notuje się bardzo duże zróżnicowanie wrażliwości gamet i zarodków pomiędzy gatunkami, szczególnie dobrze widoczne w ocenie plemników. Niektóre gatunki zwierząt charakteryzują się tak dużą wrażliwością nasienia na proces zamrażania, że po rozmrożeniu komórki rozrodcze nie mają zdolności zapładniającej (np. u świń), lub potencjał ich jest tak osłabiony, że wyklucza rozpowszechnienie metody w praktyce produkcyjnej (np. u owiec czy koni). Podobne problemy dotyczą zamrażania komórek jajowych i zarodków. Stosunkowo najlepsze wyniki uzyskiwane są w rozrodzie bydła, ale nawet w tym przypadku, przy średniej skuteczności inseminacji nie przekraczającej 50%, wskaźniki reprodukcyjne są zdecydowanie słabsze niż w kryciu naturalnym, lub inseminacji nasieniem świeżym.

Przedmiotem wynalazku jest sposób kriokonserwacji w ciekłym azocie gamet i zarodków zwierząt domowych i dzikich, oraz człowieka z zastosowaniem wody w stanie nadkrytycznym jako podstawowego nośnika substancji będących składnikami mediów i rozrzedzalników do mrożenia. Woda w stanie nadkrytycznym (zwana też nanowodą lub wodą deklastrowaną) jest to woda poddana działaniu pola niskotemperaturowej plazmy. Woda taka charakteryzuje się wieloma specyficznymi właściwościami fizyko-chemicznymi, które wpisują się znakomicie w nurt badań i poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie kriobiologii i kriokonserwacji gamet i zarodków. Z dotychczasowych badań wynika, że pojemność wody w stanie nadkrytycznym, rozumiana jako zdolność do rozpuszczania substancji jest o około 40% większa od zwykłej wody stosowanej w laboratoriach. Istotna właściwość nanowody, to znacznie łatwiejsze przenikanie przez błony komórkowe, co powinno poprawić i przy spieszyć wchłanianie substancji istotnych dla ochrony komórek podczas zamrażania i tym samym przełożyć się na poprawę żywotności tych komórek.

Uporządkowanie struktury fizycznej nanowody w postaci tzw. nanoklastrów powinno spowodować tworzenie znacznie mniejszych kryształów podczas zamrażania. Krystalizacja podczas zamarzania zwykłej wody jest podstawową przyczyną uszkodzeń Won komórkowych a tym samym zmniejszenia przeżywalności zamrażanych komórek. W związku z tym w kriobiologii stosowane są krioprotektory, czyli substancje zmniejszające rozmiar kryształów powstających podczas zamrażania. Są to jednak substancje, które chroniąc przed mechanicznym uszkodzeniem mają działanie toksyczne. Ograniczenie ich ilości po zastosowaniu nanowody powinno zmniejszyć toksyczność mediów i poprawić efektywność stosowanych procedur.

Korzyści z zastosowania wynalazku

Pilotażowe badania nad zastosowaniem nanowody w mrożeniu bardzo wrażliwego nasienia tryków wskazały na wyraźną poprawę istotnych z punktu widzenia wartości biologicznej parametrów plemników, w tym zdolności zapładniającej o ponad 28%. Pozwala to przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie również mrożenie nasienia knurów, co stanie się czynnikiem znaczącego postępu w pracy hodowlanej oraz organizacji i zarządzaniu produkcją trzody chlewnej. Wzrostu efektywności rozrodu i wykorzystania szczególnie cennych samców i samic należy spodziewać się również u bydła. Biorąc pod uwagę światowe pogłowia zwierząt hodowlanych oszczędności wygenerowane na zastosowaniu nanowody w kriokonserwacji mogą w skali roku sięgać miliardów zł. Metody kriokonserwacji gamet i zarodków mają też kluczowe znaczenie w ochronie zagrożonych wyginięciem populacji zwierząt. Utworzenie banków mrożonego nasienia, oocytów i zarodków pozwoli w przyszłości na odtworzenie zagrożonych, a nawet wymarłych gatunków.

Potencjał komercjalizacji

Z uwagi na niezadowalającą przeżywalność nasienia, oocytów i zarodków w procesie mrożenia, prace nad doskonaleniem metod kriokonserwacji należą do priorytetowych zadań badawczych ośrodków naukowych wyspecjalizowanych w biotechnologii rozrodu na całym świecie. Nanowoda posiada potencjał wydatnej poprawy jakości gamet i zarodków po rozmrożeniu. Może zatem znaleźć zastosowanie na wielką skalę w laboratoriach, stacjach eksploatacji zwierząt rozpłodowych oraz klinikach wspomaganego rozrodu ludzi. Poza wspomnianymi 3 podstawowymi gatunkami zwierząt gospodarskich może być ona z powodzeniem stosowana w biotechnikach rozrodu drobiu, wielu gatunków ryb hodowlanych, koni, psów, kotów i innych zwierząt towarzyszących, a także gatunków zagrożonych wyginięciem. Wydaje się, że zastosowanie nanowody, może stać się rewolucją w biotechnikach rozrodu zwierząt i ludzi zarówno w punktu widzenia organizacji, zarządzania, logistyki transportu jak i wskaźników efektywności i ekonomiki wszystkich procedur.