低温生物学

極低温生物学は、地球の氷圏または科学における生物に対する低温の影響を研究する生物学の分野です。極低温生物学という言葉は、ギリシャ語の κρῧος [kryos] (冷たい)、βίος [bios] (生命)、および λόγος [logos] (言葉) に由来しています。実際には、極低温生物学は、通常より低い温度での生物学的物質またはシステムの研究です。研究対象となる物質またはシステムには、タンパク質、細胞、組織、臓器、または生物全体が含まれます。温度は、中程度の低体温状態から極低温までの範囲です。

低温生物学には、少なくとも 6 つの主要分野があります。1)微生物、植物 (耐寒性)、および無脊椎動物と脊椎動物の両方の動物(冬眠を含む) の寒冷適応の研究、2)水の凝固点以下の温度に冷却して長期保存する (医療) 目的での動物およびヒト起源の細胞、組織、配偶子、および胚の冷凍保存です。これには通常、凍結および解凍中に細胞を保護する物質（凍結保護剤）の添加、3）移植用の低体温状態での臓器の保存、4）医薬品の凍結乾燥（フリーズドライ）、5）極低温のガス/流体を使用して不健康な組織を破壊する（最小限の）侵襲性アプローチである凍結手術、および6）生物系に適用される、過冷却の物理学、氷の核形成/成長、および冷却および加温中の熱伝達の機械工学的側面が必要です。 極低温生物学には、将来の蘇生を目的として人間や哺乳類を低温で保存するクライオニクスが含まれますが、これは主流の極低温生物学の一部ではなく、まだ発明されていない推測的な技術に大きく依存しています。 これらの研究分野のいくつかは、極低温の生成と使用を研究する物理学と工学の分野である極低温学に依存しています。

多くの生物は、水の氷点以下の温度に長時間耐えることができます。ほとんどの生物は、鋭い氷の結晶による霜害から身を守るために、抗核タンパク質、ポリオール、グルコースなどの凍結防止剤を蓄積します。特に、ほとんどの植物は、-4 °C から -12 °C の温度に安全に到達できます。

カルノバクテリウム・プレイストセニウム、クリセオバクテリウム・グリーンランデンシス、ヘルミニイモナス・グラシエの3種の細菌が、氷の中で何千年も凍り付いた後、復活したと報告されている。特定の細菌、特にシュードモナス・シリンガエは、強力な氷核形成剤として機能する特殊なタンパク質を生成し、約-2℃でさまざまな果物や植物の表面に氷を形成させる。^[1]凍結により上皮が損傷し、その下にある植物組織の栄養素が細菌に利用可能になる。^[2] リステリア菌は-1.5℃の低温でもゆっくりと増殖し、冷凍食品の中でしばらく生き続ける。^[3]

多くの植物は、数週間から数か月間、0 °C 未満の温度で生き延びることができる硬化と呼ばれるプロセスを経ています。植物の低温生物学では、不凍タンパク質 (AFP)や膜組成の変化など、氷点下の気温で生き延びるために植物が発達させる細胞および分子の適応を研究します。凍結保存は植物低温生物学の重要な技術であり、植物組織または種子を液体窒素で維持することにより、遺伝物質の長期保存や絶滅危惧種の保護に使用されます。この分野の研究は、寒冷気候での農業生産性の向上、植物遺伝資源の保存の改善、および気候変動が植物の生物多様性に与える影響の理解を目指しています。^{[4] [5]}

0 °C以下でも生存できる線虫には、 Trichostrongylus colubriformisやPanagrolaimus davidiなどがある。ゴキブリの幼虫（Periplaneta japonica）は、-6～-8 °Cの短時間の凍結でも生存する。アカヒラタキクイムシ（Cucujus clavipes）は、-150 °Cまで凍結しても生存できる。^[6]キノコバエの Exchia nugatoriaは、氷の結晶が体にできても頭部にはできないという独特のメカニズムにより、-50 °Cまで凍結しても生存できる。凍結に耐性のある別の甲虫はUpis ceramboidesである。^[7]昆虫の冬の生態と不凍タンパク質を参照。-273 °Cまでの温度に短時間耐えられる別の無脊椎動物はクマムシである。

線虫の一種であるHaemonchus contortusの幼虫は、-196 °C で凍結した状態で 44 週間生存することができます。

アメリカアカガエル（Rana sylvatica ）は、冬になると体の45%が凍って氷になることがあります。「氷の結晶が皮膚の下に形成され、体の骨格筋の間に散在します。凍結中、カエルの呼吸、血流、心拍は停止します。凍結は、細胞内の凍結と脱水を防ぐ特殊なタンパク質とブドウ糖によって可能になります。」^{[8] [9]} アメリカアカガエルは、-4℃で凍結しても最大11日間生き残ることができます。

体温が0℃以下でも生存できる他の脊椎動物には、ニシキガメ（Chrysemys picta）、灰色のアマガエル（Hyla versicolor）、ヌマガエル（Rana arvalis）、ハコガメ（Terrapene carolina - -2℃で48時間）、スプリングピーパー（Pseudacris crucifer）、ガータースネーク（Thamnophis sirtalis - -1.5℃で24時間）、コーラスガエル（Pseudacris triseriata）、シベリアサンショウウオ（Salamandrella keyserlingii - -15.3℃で24時間）^[10]ヨーロッパトカゲ（Lacerta vivipara ）、およびPagothenia borchgrevinkiなどの南極の魚類などがある。^{[11] [12]このような魚からクローン化された不凍タンパク質は、}遺伝子組み換え植物に耐凍性を付与するために使用されている。^[要出典]

冬眠中のホッキョクジリスの腹部の温度は−2.9℃（26.8℉）まで下がり、頭部と首の温度は0℃以上を保ちますが、腹部の温度は一度に3週間以上氷点下を維持します。^[13]

低温生物学の歴史は古代にまで遡ります。紀元前 2500 年頃には、エジプトでは低温が医療に利用されていました。ヒポクラテスは出血や腫れを止めるために冷気の使用を推奨していました。近代科学の出現とともに、ロバート ボイルは低温が動物に与える影響を研究しました。

1949年、クリストファー・ポルジ率いる科学者チームによって初めて雄牛の精液が凍結保存されました。^{[14]これにより、今日では}凍結保存 がはるかに広く使用されるようになり、多くの臓器、組織、細胞が日常的に低温で保存されています。心臓などの大きな臓器は通常、移植用に低温（凍結温度ではない）で短期間のみ保存および輸送されます。細胞懸濁液（血液や精液など）や薄い組織切片は、液体窒素温度でほぼ無期限に保存できる場合があります（凍結保存）。ヒトの精子、卵子、胚は、不妊研究や治療で日常的に保存されています。制御速度凍結と低速凍結は、1970 年代初頭に開拓された確立した技術で、1984 年に最初のヒト胚凍結出産 (Zoe Leyland) を可能にしました。それ以来、プログラム可能なステップ、つまり制御速度を使用して生物学的サンプルを凍結する機械が、世界中でヒト、動物、および細胞生物学に使用されてきました。サンプルを「凍結」して、最終的な解凍に備えて保存状態を良くしてから、液体窒素で急速凍結または冷凍保存します。このような機械は、病院、獣医診療所、および研究室で、卵母細胞、皮膚、血液製剤、胚、精子、幹細胞、および一般的な組織保存の凍結に使用されています。「低速凍結」胚からの生児出生数は約 30 万～ 40 万で、推定 300 万の体外受精出産の 20% に相当します。オーストラリアのクリストファー・チェン博士は、1986年に英国の凍結速度制御式冷凍庫でゆっくり凍結された卵母細胞を使用した世界初の妊娠を報告した。

凍結手術（氷の形成による意図的かつ制御された組織破壊）は、1845 年にジェームズ アーノットによって癌患者の手術で実行されました。

応用科学としての低温生物学は、主に低温保存に関係しています。低温保存は通常、0 °C 以上ですが、哺乳類の常温 (32 °C ～ 37 °C) より低い温度で行われます。一方、冷凍保存による保存は、-80 ～ -196 °C の温度範囲で行われます。低温保存の対象となるのは臓器や組織であることが多いですが、冷凍保存される最も一般的な対象は単一細胞です。

低体温保存における経験則は、温度が10℃下がるごとに酸素消費量が50%減少することである。^[15]冬眠中の動物は低体温に関連する代謝の不均衡を避ける機構を適応させているが、移植用に維持される低体温の臓器や組織は、アシドーシス、ナトリウムポンプ活性の低下、細胞内カルシウムの増加に対抗するための特別な保存液を必要とする。Viaspan （ウィスコンシン大学溶液）、HTK、Celsiorなどの特別な臓器保存液は、この目的のために設計されている。 ^[16]これらの溶液には、フリーラジカルによる損傷を最小限に抑え、浮腫を防ぎ、ATP損失を補うなどの成分も含まれている。

細胞の冷凍保存は、アメリカの低温生物学者ピーター・マズールの「二因子仮説」^{[ permanent dead link ‍ ]}に基づいており、これは、過度に急速な冷却は細胞内の氷形成によって細胞を死滅させ、過度に遅い冷却は電解質 毒性または機械的粉砕によって細胞を死滅させるというものです。^[17]ゆっくりとした冷却中、細胞外で氷が形成され、浸透圧によって水が細胞から出て脱水状態になります。細胞内の氷は細胞外の氷よりもはるかに有害です。

赤血球の場合、最適な冷却速度は非常に速い（1秒あたり約100℃）のに対し、幹細胞の場合、最適な冷却速度は非常に遅い（1分あたり1℃）。ジメチルスルホキシドやグリセロールなどの凍結防止剤は、細胞を凍結から保護するために使用されます。さまざまな種類の細胞が10％ジメチルスルホキシドによって保護されています。^[18]凍結生物学者は、凍結防止剤の濃度（氷の形成と毒性の両方を最小限に抑える）と冷却速度を最適化しようとします。細胞は、液体窒素に浸す前に、最適な速度で−30〜−40℃の温度まで冷却される場合があります。

ゆっくり冷却する方法は、細胞には核形成物質がほとんど含まれていないが、適度に脱水された細胞内での氷形成を防ぐことができる天然のガラス化物質が含まれているという事実に依存しています。一部の低温生物学者は、細胞、組織、臓器の保存において完全なガラス化(氷形成ゼロ) のための凍結保護剤の混合物を探しています。ガラス化法では、毒性を最小限に抑えることができる凍結保護剤の混合物を探す必要があるという課題があります。

ヒト配偶子および2細胞、4細胞、8細胞胚は、よく管理された実験室条件下では-196℃で10年間凍結保存することができます。 ^[19]

不妊症に関する人間の冷凍保存には、凍結による胚、精子、または卵母細胞の保存が含まれる。体外受精は、精子を解凍して「新鮮な」卵子に注入するか、凍結した卵子を解凍して精子を卵子と一緒に入れて一緒に子宮に戻すか、凍結した胚を子宮に導入することで試みられる。 ガラス化には欠陥があり、卵子だけでは温度に非常に敏感であるため、受精した精子、卵子、または胚を凍結する従来の緩慢凍結法ほど信頼性が高くなく、実証もされていない。 多くの研究者は、卵巣組織を子宮に移植して正常な排卵周期を刺激できることを期待して、卵子と一緒に卵巣組織も凍結している。 2004年、ベルギーのルーヴァンのドンネは、凍結した卵巣組織から初めて卵巣出産に成功したと報告した。 1997年、ホジキンリンパ腫の女性から卵巣皮質のサンプルが採取され、（英国プラナー社の）制御冷凍庫で凍結保存され、その後液体窒素で保管された。患者が早発卵巣不全を起こした後、化学療法が開始された。2003年、凍結融解後、腹腔鏡による卵巣皮質組織の同所性自家移植が行われ、5か月後、再着床の兆候から排卵周期が正常化したことが示された。再着床から11か月後、生存可能な子宮内妊娠が確認され、タマラという名の女児が初めての生児として誕生した。^[20]

治療的低体温、例えば心臓手術中に「冷たい」心臓（氷の形成なしに冷たい灌流によって生成される）を使用すると、手術時間が長くなり、患者の回復率が向上します。

低温生物学会は、低温が生物系に与える影響に共通の関心を持つ生物学、医学、物理学の分野の専門家を集めるために 1964 年に設立されました。2007 年現在、低温生物学会には世界中から 280 名ほどの会員がおり、その半数は米国を拠点としています。学会の目的は、低温生物学の科学的研究を促進し、この分野における科学的理解を深め、この知識を人類の利益のために普及および応用することです。学会は、すべての会員に対して、専門的活動の遂行において最高の倫理的および科学的基準を求めています。学会の細則によると、行為が学会に有害であると見なされる応募者の会員資格は拒否される場合があります。 1982年、ジェリー・リーフなど一部の会員の反対を押し切って、規約が明確に改正され、「死者の蘇生を見込んで冷凍保存するいかなる行為も」禁止された。^[21]協会は、低温生物学のあらゆる側面をテーマとした年次科学会議を主催している。この国際会議では、最新の低温生物学研究の発表と議論の機会が提供されるほか、シンポジウムやワークショップを通じて特定の側面を検討する。また、会員は協会のニュースレター「ニュースノート」を通じて、ニュースや今後の会議に関する情報も入手できる。2011年から2012年までの低温生物学会会長はジョン・H・クロウであった。^[22]

低温生物学会は1964年に設立され、2003年に慈善団体として登録されました^[23]。その目的は、低温があらゆる種類の生物とその構成細胞、組織、器官に及ぼす影響についての研究を促進することです。2006年現在、この学会には約130名（ほとんどが英国とヨーロッパ出身）の会員がおり、少なくとも年に1回の総会を開催しています。プログラムには通常、時事問題のシンポジウムと低温生物学のあらゆる側面に関する自由討論セッションが含まれます。最近のシンポジウムには、長期安定性、水生生物の保存、胚と配偶子の凍結保存、植物の保存、低温顕微鏡、ガラス化（冷却中の水性システムのガラス化）、凍結乾燥、組織バンキングが含まれています。会員には、現在年に3回発行されている学会ニュースレターを通じて情報が提供されます。

Cryobiology（出版社：Elsevier）は、この分野で最も権威のある科学出版物であり、毎年約60件の査読付き論文が出版されています。論文は、低温生物学および低温医学のあらゆる側面（凍結、凍結乾燥、冬眠、耐寒性と適応、凍結保護化合物、低温の医療応用、凍結手術、低体温、臓器の灌流など）に関するものです。

Cryo Lettersは、英国を拠点とする独立した速報ジャーナルであり、低温がさまざまな生物物理学的および生物学的プロセスに及ぼす影響に関する論文や、生物学および生態学的なテーマの調査における低温技術に関する研究を掲載しています。

Biopreservation and Biobanking (旧称 Cell Preservation Technology) はMary Ann Liebert, Inc.が発行する査読付き季刊科学雑誌で、凍結保存、乾燥状態 (無水保存)、ガラス状態、低温保存 など、保存技術の多様な領域を扱っています。Cell Preservation Technology はBiopreservation and Biobankingに改名され、国際生物環境保存学会の公式雑誌となっています。

低温生物学と低温医学の問題（旧称「Kriobiologiya」（1985-1990年）および「低温生物学の問題」（1991-2012年））は、低温生物学と低温医学の問題研究所によって発行されています。このジャーナルは、低温生物学、医学、工学に関連するすべてのトピックを扱っています。^[24]

• クリプトビオシス
• アルデヒド安定化凍結保存

ウィキメディア・コモンズには、低温生物学に関連するメディアがあります。

• 細胞保存技術
• 細胞低温生物学と無水生物学
• サイエンス・クリエイティブ・クォータリー誌における低温生物学の科学概要