Transportprozesse bei der Kryokonservierung von Gameten und Ovargewebe

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Sieme; Professor Dr. Willem F. Wolkers
• Fachliche Zuordnung: Tiermedizin
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260387574

In der ersten Projektphase war es Ziel Membranphasenveränderungen und Permeabilitätseigenschaften unter Nullgrad gelagerter Spermien in Relation zur Überlebensrate nach dem Einfrieren und Wiederauftauen zu untersuchen. Zudem wurde die biomolekulare Stabilität gefriergetrockneter Spermien und die physikalischen Eigenschaften von Gefriertrocknungsmedien im biologischen Glaszustand untersucht. Wir entdeckten, dass die Eisbildung eine Membranphasenänderung auslöst; dieser Prozess ist abhängig von der Nukleationstemperatur für Eis, der Kühlrate und der Art des Kryoprotektivums. Gefrierinduzierte Membranphasenänderungen wurden genutzt um die Zellpermeabilität für Wasser zu ermitteln um daraus optimale Kühlraten für die Gefrierung vorherzusagen. Überdies entdeckten wir, dass Membranen im Laufe des Gefrierprozesses für Moleküle permeabel werden für die sie normalerweise impermeabel sind, während die Zellen den Gefriervorgang überleben. Wir konnten somit feststellen, dass der Gefriervorgang selber genutzt werden kann um Zellen mit impermeablen lyoprotektiven Agentien zu beladen. Lyoprotektiva – wie Sucrose oder Trehalose – erwiesen sich als geeignet die Chromatinintegrität gefriergetrockneter Spermien auch unter künstlich-beschleunigten Alterungsbedingungen zu schützen. Während in der ersten Projektphase Transportprozesse für Wasser und gelöste Substanzen überwiegend auf zellulärer und Membranebene untersucht wurden, sollen in der zweiten Phase die Erkenntnisse auf Gewebe und komplex-zusammengesetzte Lösungen übertragen und weiterentwickelt werden. Transportprozesse für Wasser und Kryoprotektiva durch die Oozytenmembran sollen mit mikrofluidischen Apparaturen anhand der Zellvolumenreaktion erfasst werden. Die Membranpermeabilisierung der Zellen nach Zugabe verschiedener Kryoprotektiva wird für diese, normalerweise impermeablen Moleküle ermittelt. Es ist auch geplant zu untersuchen, ob Natriumionen durch Gefrierung die Membran permeieren können und ob die Gefrierung bei reduziertem Natriumgehalt die Auftauraten verbessern kann. Die Diffusion protektiver Substanzen und die gleichzeitige Austrocknung in Ovargewebe wird untersucht und daraus ein Stoff-Transportmodell entwickelt, welches ermöglicht die Gewebsverteilung der Kryoprotektiva zur Überlebensrate in Relation zu setzen. Die Stabilität gefrierkonservierter Proben während der Lagerung wird durch Erfassung von molekularer Beweglichkeit in Nähe der Glasübergangstemperatur bestimmt; mit dem Ziel Medien zu entwickeln, welche eine Gefrierlagerung bei höheren Temperaturen erlauben. Mathematische Modelle zur Beschreibung von Transportprozessen während der Beladung von Zellen und Gewebe mit kryoprotektiven Substanzen, als auch Untersuchungen zur molekularen Beweglichkeit im Glaszustand werden zielführende Analysetools bereitstellen, welche breite Anwendungsmöglichkeiten bei der Gefrierkonservierung von Zellen, künstliche Ersatzgeweben, klinisch relevantem Gewebe und möglicherweise ganzer Organe bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Harriette Oldenhof