Nel 1949, Chris Polge vinse il Premio Nobel per la Medicina per la sua capacità di crioconservare o congelare gli spermatozoi. Da allora, i progressi nella tecnologia di crioconservazione hanno portato al successo del congelamento e dello scongelamento di embrioni e ovociti umani. Questa tecnologia nota funziona anche per mammiferi e specie selvatiche simili. Ma fino ad ora, i ricercatori non sono riusciti a crioconservare gli embrioni di pesce, a causa delle loro dimensioni.

In un recente studio, ricercatori dell'Università del Minnesota e dello Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) hanno utilizzato la nuova nanotecnologia dell'oro e i laser per crioconservare embrioni di pesce zebra, i cui genomi sono simili a quelli umani. La ricerca completa è disponibile sulla rivista scientifica ACS Nano.

Questa nuova tecnologia potrebbe portare al ripopolamento di specie ittiche in via di estinzione, sostenere la crescita delle barriere coralline in via di esaurimento e aumentare la nostra comprensione delle malattie umane attraverso modelli di ricerca sui pesci.

Tradizionalmente, per crioconservare efficacemente un embrione, gli scienziati devono raffreddarlo fino a portarlo a uno stato stabile e riscaldarlo più velocemente di quanto è stato raffreddato. Gli scienziati spesso iniettano crioprotettori (agenti antigelo) nell'embrione per prevenire la crescita di cristalli di ghiaccio mortali che si formano durante il processo di riscaldamento. Gli embrioni di pesce sono molto più grandi di quelli umani, quindi generalmente impiegano molto tempo per scongelarsi. Anche le membrane embrionali nei pesci sono per lo più impenetrabili e spesso rifiutano i crioprotettori.  

Questo studio più recente ha avuto successo grazie alla nuova nanotecnologia dell'oro sviluppata da John Bischof, direttore associato dell'Istituto di ingegneria in medicina dell'Università del Minnesota e autore senior dello studio.

Le nanoparticelle d'oro sono minuscoli oggetti cilindrici che convertono la luce assorbita in calore.

"La nuova idea era quella di accoppiare le minuscole nanoparticelle d'oro con gli agenti antigelo nella microiniezione", ha spiegato Bischof a The University Network (TUN). “Queste particelle d’oro sono estremamente piccole, biologicamente inerti e molto efficaci nell’assorbire la luce laser di lunghezze d’onda specifiche. La maggior parte dei tessuti biologici è traslucida, quindi abbiamo bisogno di queste particelle d’oro per assorbire il calore del laser e irradiarlo nuovamente all’embrione”.

Questa nuova tecnologia ha permesso al team di utilizzare un potente raggio di luce laser per riscaldare l'embrione da -196°C a 20°C in appena un millesimo di secondo.

“Questo rapido riscaldamento ha ridotto la crescita di cristalli di ghiaccio mortali che possono crescere durante il processo di congelamento e riscaldamento”, ha affermato Bischof. “Poiché gli embrioni erano così grandi, dovevamo riscaldarli a milioni di gradi al minuto. È importante sottolineare che senza questa tecnica laser tutti gli embrioni non sono vitali, ma con la tecnica delle nanoparticelle laser alcuni embrioni continuano a svilupparsi fino a 24 ore.

Gli embrioni che sono maturati fino a 24 ore hanno sviluppato un cuore, branchie, muscolatura della coda e si sono mossi.

“Non c’è dubbio che l’uso di questa tecnologia, in questo modo, segna un cambio di paradigma per la crioconservazione e la conservazione di molte specie selvatiche”, disse Mary Hagedorn, ricercatrice del SCBI e coautrice dell’articolo che lavora sulla crioconservazione di embrioni di pesce zebra dal 1992. “Qui adottiamo un approccio unico combinando la biologia con un’entusiasmante tecnologia ingegneristica per fare ciò che prima era impossibile: congelare e congelare con successo scongelare un embrione di pesce in modo che l’embrione inizi a svilupparsi, anziché cadere a pezzi”.

Questo recente studio ha molte implicazioni benefiche per il futuro. Bischof è fiducioso che, con ulteriori modifiche, gli embrioni saranno in grado di trasformarsi completamente in pesci. Potrebbero quindi continuare a riprodursi e ripopolare le colonie in esaurimento.

Poiché gli embrioni dei pesci sono simili per forma e dimensioni a quelli di altre forme di vita marina e anfibia, gli scienziati possono utilizzare questa tecnologia per crioconservare uova ed embrioni per sostenere la riduzione della barriera corallina e delle popolazioni di rane.  

Inoltre, i risultati avranno un effetto positivo su tre aree dei bisogni e degli sforzi umani. “In primo luogo, aiuterà a preservare i pesci necessari per l’alimentazione (attraverso l’acquacoltura), in secondo luogo aiuterà a migliorare la nostra comprensione delle malattie umane supportando modelli di ricerca sui pesci sulle malattie umane, e in terzo luogo aiuterà a sostenere la conservazione delle specie in via di estinzione”, ha detto Bischof a TUN.

Altri autori principali dello studio includevano il dottorato di ricerca dell'Università del Minnesota. studenti Kanav Khosla e Yiru Wang. Ulteriore aiuto è arrivato dall'ex dottorato di ricerca dell'Università del Minnesota. studente Zhenpeng Qin.