Енергія активації проникання молекул води та кріопротекторів крізь плазматичні мембрани ентероцитів миші та динаміка їх зневоднення в процесі заморожування

Abstract

У першому наближенні вплив охолодження на проникність клітинних мембран і, отже, на кінетику зміни об'єму клітини і концентрацій розчинених всередині неї речовин можна врахувати, вважаючи, що змінення коефіцієнтів фільтрації і проникності плазматичної мембрани для розчиненої речовини підкоряється ареніусовій залежності. У роботі визначені коефіцієнти проникності мембран ентероцитів миші для молекул води та кріопротекторів гліцерину, 1,2-пропандіолу (1,2-ПД) та диметилсульфоксиду (ДМСО) за температури 12°С і розраховані величини енергії активації їх проникання. Отримано часову залежність зневоднення ентероцитів під час охолодження зі швидкостями 5, 1, 0,5 та 0,1 град/хв. Отримані графіки зневоднення ентероцитів вказують на те, що найкращим режимом заморожування цих клітин з погляду запобігання вну- трішньоклітинної кристалізації є низькі швидкості охолодження, аж до 0,1 град/хв, а найкращим кріопротектором порівняно з гліцерином та ДМСО – 1,2-ПД, у середовищі з яким досягається прийнятний рівень зневоднення вже за швидкості 0,5 град/хв. Враховуючи тривалість виживання ентероцитів миші, яка є найбільшою в розчині цього кріопротектора порівняно з гліцерином та ДМСО, можна прийти до висновку, що найкращим із досліджених кріопротекторів для заморожування ентероцитів миші є 1,2-ПД.

В первом приближении влияние охлаждения на проницаемость клеточных мембран и, следовательно, на кинетику изменения объема клетки и концентраций растворенных внутри нее веществ можно учесть, считая, что изменения коэффициентов фильтрации и проницаемости плазматической мембраны для растворенного вещества подчиняется арре- ниусовой зависимости. В работе определены коэффициенты проницаемости мембран энтероцитов мыши для молекул воды и криопротекторов глицерина, 1,2-пропандиола (1,2-ПД) и диметилсульфоксида (ДМСО) при температуре 12°С и рас- считаны величины энергии активации их проникновения. Получена временная зависимость обезвоживания энтероцитов при охлаждении со скоростями 5, 1, 0,5 и 0,1 град/мин. Полученные графики обезвоживания энтероцитов указывают на то, что наилучшим режимом замораживания этих клеток с точки зрения предотвращения внутриклеточной кристаллизации являются низкие скорости охлаждения, вплоть до 0,1 град/мин, а наилучшим криопротектором по сравнению с глицерином и ДМСО – 1,2-ПД, в среде с которым достигается приемлемый уровень обезвоживания уже при скорости 0,5 град/мин. Учитывая, что время выживания энтероцитов мыши также наибольшее в растворе этого криопротектора по сравнению с глицерином и ДМСО, можно прийти к выводу, что наилучшим из исследованных криопротекторов для замораживания энтероцитов мыши является 1,2-ПД.

In the first approximation one could take into account the effect of cooling on cell membrane permeability and, consequently, the kinetics of a change in cell volume and concentrations of dissolved substances inside it, if the changes in filtration and plasma membrane permeability coefficients for the dissolved solution will comply the Arrhenius law. We determined here the permeability coefficients of murine enterocyte membranes for water molecules and glycerol, 1,2-propanediol (1,2-PD) and dimethyl sulfoxide (DMSO) cryoprotectants at 12°C and calculated the values of activation energy of their penetration. There was obtained a time dependence of enterocyte dehydration during cooling with 5, 1, 0.5 and 0.1 deg/min rates. The obtained graphs of enterocyte dehydration indicated the low cooling rates down to 0.1 deg/min to be the most appropriate for using in freezing regimen for these cells to prevent intracellular crystallization, and 1,2-PD as the most convenient cryoprotectant as compared with glycerol and DMSO, allowing to reach an acceptable level of dehydration even at 0.5 deg/min cooling rate. Assuming the fact, that the survival time of murine enterocytes was also the highest in this cryoprotectant solution unlike glycerol and DMSO, we might conclude 1,2-PD to be the best cryoprotectant among the studied ones to freeze murine enterocytes.