I mer än 60 år har forskare har försökt lyckas kryokonservera (eller frysa) zebrafiskens embryo, en art som är en viktig medicinsk modell för människors hälsa. I en ny studie, forskare vid University of Minnesota och Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) tillhandahåller det första reproducerbara beviset för framgångsrik kryokonservering av zebrafiskembryon.

Studien använder ny guldnanoteknik och lasrar för att värma embryot - stötesten i tidigare studier. Resultaten har djupa konsekvenser för människors hälsa, djurskydd, och vattenbruk.

Forskningen publiceras idag i ACS Nano , en ledande vetenskaplig tidskrift publicerad av American Chemical Society.

"Det råder ingen tvekan om att användningen av denna teknik, på det här sättet, markerar ett paradigmskifte för kryokonservering och bevarande av många djurarter, "sa Mary Hagedorn, en SCBI-forskare och medförfattare av papper som har arbetat med kryokonservering av zebrafiskembryon sedan 1992.

"För att få någonting att fungera vid sådana kalla temperaturer, man måste oftast vara kreativ. Här tar vi ett unikt tillvägagångssätt genom att kombinera biologi med en spännande ingenjörsteknik för att göra det som tidigare varit omöjligt:​​att framgångsrikt frysa och tina ett fiskembryo så att embryot börjar utvecklas, snarare än att falla sönder, "Tillade Hagedorn.

Genom att frysa spermier, ägg och embryon, naturvårdare kan skydda riskarter och deras genetiska mångfald, gör det möjligt att stärka den genetiska poolen och därmed hälsan hos vilda populationer år - eller till och med århundraden - senare. Även om forskare framgångsrikt har kryokonserverat embryon för många däggdjursarter och spermier för många fiskarter, frysning av fiskembryon visade sig oändligt mycket mer komplicerat.

Framgångsrik kryokonservering av ett embryo kräver kylning av embryot till ett kryogeniskt stabilt tillstånd, värmer den sedan snabbare än den kyldes, och att använda ett frostskyddsmedel (eller kryoskyddande medel) för att stoppa tillväxten av iskristaller, som är som stift i en ballong som sprider membranet och får embryot att falla sönder. Fiskembryon, dock, är mycket stora, vilket gör det svårt att tina dem snabbt och undvika iskristallutveckling. Dessutom, eftersom vattenlevande djur måste överleva tuffa miljöer, deras embryonala membran är mestadels ogenomträngliga, blockerar kryoprotektanterna.

Ange laser guld nanoteknik, ett snabbt växande teknikområde utvecklas för kryokonserveringsapplikationer av University of Minnesota Mechanical Engineering John Bischof som var avgörande för framgången med studien och har en mängd olika biomedicinska tillämpningar.

"Lasrar har den spännande förmågan att fungera som en" ljusströmbrytare "som kan slå på och av biologisk aktivitet inom guldmaterial med guld nanopartiklar, "sa Bischof, senior författare till studien. "I detta fall, genom noggrann konstruktion och distribution av guldnanopartiklar i ett kryogeniskt lagrat och biologiskt inaktivt embryo, vi kan använda en laserpuls för att snabbt värma embryot tillbaka till omgivningstemperaturer och byta biologisk aktivitet, och därför livet, tillbaka på."

Guldnanoroder är små guldcylindrar som omvandlar absorberat ljus (från en laser, till exempel) till värme. Studiens författare injicerade både kryoprotektanten och nanogoldpartiklarna i embryona. Guldpartiklarna överförde värme jämnt genom embryot när de träffades med en laser, värmer embryot från -196 grader C till 20 grader C på bara en tusendels sekund. Den otroligt snabba uppvärmningshastigheten, i kombination med kryoskyddande medel, förhindrade bildandet av dödliga iskristaller.

Embryon som genomgick denna process utvecklades åtminstone till 24-timmarsstadiet där de utvecklade ett hjärta, gälar, svansmuskulatur och rörelse-vilket bevisar deras livskraft efter upptining.

Studiens författare syftar sedan till att finjustera processen för att säkerställa att de kan öka embryonas överlevnad. De kommer också att undersöka användningen av automatisering för att stärka hur många embryon de lyckas tina på en gång.

Eftersom embryon från andra vattenlevande djur - fisk, amfibier och koraller - liknar mycket sebrafiskar, denna teknik är direkt tillämplig på kryokonservering av många arters embryon. Tekniken kan också anpassas till kryokonserverade reptil- och fågelembryon och förbättra processen för kryokonservering av däggdjursembryon, inklusive jättepandor och stora katter. Dessutom, tekniken kan hjälpa vattenbruksgårdar att bli mer effektiva och kostnadseffektiva, lägger mindre press på vilda populationer.

Människors hälsoforskare använder zebrafiskar - som har ett genom som liknar människors - som viktiga sjukdomsmodeller för att studera melanom, hjärtsjukdomar och blodsjukdomar, bland andra hälsofrågor. Kryokonserverade zebrafiskembryon kommer att förhindra att forskarna förlorar hela forskningslinjer och ger dem flexibiliteten att ta tillbaka linjerna efter behov.