Выбор условий криоконсервирования мезенхимальных стромальных клеток в суспензии и альгинатных микросферах на основе изучения их осмотических реакций в растворе 1 М ДМСО

Abstract

Исследовали осмотическую реакцию мезенхимальных стромальных клеток (МСК) в суспензии и альгинатных микросферах (АМС) в процессе экспозиции в 1 М растворе ДМСО, а также их жизнеспособность после криоконсервирования с разной скоростью охлаждения. Путем численного моделирования определены коэффициент проницаемости мембран МСК для молекул воды и ДМСО, а также изменение объема клеток при разных скоростях охлаждения. Показано, что охлаждение со скоростями 0,5 и 1 град/мин до –40°С приводило к существенной дегидратации клеток. Oсмотическая реакция МСК в составе АМС была медленнее, чем в суспензии, что приводило к снижению их жизнеспособности после криоконсервирования со скоростью охлаждения 1 град/мин. При скорости охлаждения 10 град/мин клетки практически не обезвоживались, что предполагало высокую вероятность внутриклеточной кристаллизации. Действительно, если жизнеспособность МСК в суспензии и АМС после криоконсервирования с 1 М ДМСО со скоростями охлаждения 0,5 и 1 град/мин составляла не менее 75%, то криоконсервирование со скоростями охлаждения 10 и 20 град/мин приводило к гибели около 80% клеток. Теоретический расчет и экспериментальные исследования показали, что для достижения высоких уровней жизнеспособности криоконсервирование МСК в составе АМС необходимо осуществлять с более низкими скоростями охлаждения, чем клеток в суспензии.

Досліджували осмотичну реакцію мезенхімальних стромальних клітин (МСК) у суспензії та альгінатних мікросферах (АМС) у процесі експозиції в 1 М розчині ДМСО, а також їх життєздатність після кріоконсервування з різною швидкістю охолодження. Шляхом чисельного моделювання визначено коефіцієнт проникності мембран МСК для молекул води та ДМСО, а також зміну об'єму клітин при різних швидкостях охолодження. Показано, що охолодження зі швидкостями 0,5 та 1 град/хв до –40°С призводило до значної дегідратації клітин. Осмотична реакція МСК у складі АМС була повільніша, ніж у суспензії, що призводило до зниження їх життєздатності після кріоконсервування зі швидкістю охолодження 1 град/хв. При швидкості охолодження 10 град/хв клітини практично не зневоднювалися, що передбачало високу ймовірність внутрішньоклітинної кристалізації. Дійсно, якщо життєздатність МСК у суспензії та АМС після кріоконсервування з 1 М ДМСО зі швидкостями охолодження 0,5 та 1 град/хв становила не менше 75%, то кріоконсервування зі швидкостями охолодження 10 та 20 град/хв призводило до загибелі близько 80% клітин. Теоретичний розрахунок і експериментальні дослідження показали, що для досягнення високих рівнів життєздатності кріоконсервування МСК у складі АМС необхідно здійснювати з більш низькими швидкостями охолодження, ніж клітин у суспензії.

We studied the osmotic reaction of mesenchymal stromal cells (MSCs) in suspension and alginate microspheres (AMSs) during their exposure to 1 M solution of DMSO and their viability after cryopreservation with different cooling rates. Numerical modeling allowed to find the permeability coefficient of MSCs membrane for water and DMSO molecules and a change in cell volume at different cooling rates. The cooling rates of 0.5 to 1 deg/min down to –40°C have been shown to result in a substantial dehydration of the cells. The osmotic reaction of MSCs in AMSs was slower than of cells in a suspension, and resulted in a reduced post-thaw viability if cooling rate was 1 deg/min. If the rate was 10 deg/min the cells were not sufficiently dehydrated, highly suggesting a probable intracellular crystallization. Indeed, if the viability of MSCs in the suspension and AMSs after cryopreservation with 1 M DMSO at a cooling rate of 0.5 and 1 deg/min was as much as 75%, the cryopreservation with cooling rates of 10 and 20 deg/min, resulted in the death of about 80% of the cells. Theoretical calculations and experimental studies have shown that to achieve the high levels of viability of MSCs in AMSs the cryopreservation should be implemented with lower cooling rates than for the cells in suspension.