Cellterapier har ett stort löfte för att revolutionera behandlingen av cancer och autoimmuna sjukdomar. Men denna mångmiljarddollarindustri kräver långtidslagring av celler vid superkalla kryogena förhållanden, samtidigt som de säkerställer att de fortsätter att fungera vid upptining. Dock, dessa kalla temperaturer utlöser bildandet och tillväxten av is, som kan tränga igenom och riva isär celler. Forskning publicerad i Journal of the American Chemical Society av University of Utah kemister Pavithra Naullage och Valeria Molinero ger grunden för att designa effektiva polymerer som kan förhindra tillväxt av is som skadar celler.

Naturens frostskyddsmedel

Nuvarande strategier för att kryokonservera celler och organ innebär att man badar dem med stora mängder dimetylsulfoxid, en giftig kemikalie som förstör isbildning men stressar cellerna, minska sina odds för överlevnad.

Natur, dock, har hittat ett sätt att hålla organismer vid liv under extrema kalla förhållanden:frostskyddsproteiner. Fisk, insekter och andra kallblodiga organismer har utvecklat potenta frostskyddsglykoproteiner som binder till iskristalliter och hindrar dem från att växa och skada celler.

Det växande området för cellbaserad terapi kräver utveckling av potenta hämmare av isomkristallisering som kan konkurrera i aktivitet med naturliga frostskyddsglykoproteiner men som inte har kostnaden och toxiciteten av dimetylsulfoxid. Denna efterfrågan har drivit fram syntesen av polymerer som efterliknar verkan av frostskyddsglykoproteiner. Men den mest potenta syntetiska iskristallisationshämmaren hittills, polyvinylalkohol (PVA), är storleksordningar mindre potent än naturliga glykoproteiner.

"Försök att identifiera starkare hämmare för istillväxt verkar ha stannat av, eftersom det ännu inte finns en molekylär förståelse av de faktorer som begränsar polymerernas inhiberingseffektivitet för isomkristallisation, säger Molinero.

En dold variabel med polymerdesign

Hur förhindrar molekyler att iskristaller blir större? Molekyler som binder starkt till is stift dess yta – som stenar på en kudde – vilket gör att isfronten utvecklar en krökt yta runt molekylerna. Denna krökning destabiliserar iskristallen, stoppa dess tillväxt. Molekyler som förblir bundna till is gånger längre tid än den tid det tar att odla iskristaller lyckas förhindra ytterligare tillväxt och omkristallisering.

Molinero och Naullage använde storskaliga molekylära simuleringar för att belysa den molekylära grunden för hur flexibilitet, längd och funktionalisering av polymerer styr deras bindning till is och deras effektivitet för att förhindra istillväxt. Deras studie visar att den bundna tiden för molekylerna vid isytan styrs av styrkan på deras isbindning kopplat till polymerens längd och hur snabbt de fortplantar sig på isytan.

"Vi fann att effektiviteten hos flexibla polymerer för att stoppa istillväxten begränsas av den långsamma förökningen av deras bindning till is, säger Molinero.

Studien dissekerar de olika faktorerna som styr bindningen av flexibla polymerer till is och som står för gapet i styrka hos PVA och naturliga frostskyddsglykoproteiner. I ett nötskal, varje block av frostskyddsglykoproteiner binder starkare till is än vad PVA gör, och gynnas också av deras sekundära molekylära struktur som separerar de bindande och icke-bindande blocken för att tillåta dem att fästa snabbare till is för att stoppa dess tillväxt.

"Så vitt vi vet, detta arbete är det första som identifierar tiden för fortplantning av bindning som en nyckelvariabel i utformningen av effektiva isbindande flexibla polymerer, "Naullage säger." Vår studie sätter scenen för de novo -design av flexibla polymerer som kan möta eller till och med överträffa effektiviteten hos frostskyddsglykoproteiner och påverka biomedicinsk forskning. "