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低温生物学は、地球の氷圏内または科学において、低温が生物に及ぼす影響を研究する生物学の一分野です。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」、λόγος [logos]「言葉」に由来します。実際には、低温生物学とは、常温以下の温度における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、器官、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幅広く及びます。
低温生物学には少なくとも 6 つの主要な分野が特定できます。1)微生物、植物 (耐寒性)、および動物 (無脊椎動物と脊椎動物の両方 (冬眠を含む)) の低温適応の研究、2)動物およびヒト由来の細胞、組織、配偶子、および胚を(医療) 長期保存の目的で、水の凝固点以下の温度まで冷却することによる凍結保存。これには通常、凍結と解凍中に細胞を保護する物質（凍結保護剤）の添加、3）移植のための低体温条件下での臓器の保存、4）医薬品の凍結乾燥、5）極低温ガス/流体を使用して不健康な組織を破壊する（最小限の）侵襲的アプローチである凍結手術、6）生物システムに適用される過冷却、氷核形成/成長の物理学、および冷却と加温中の熱伝達の機械工学的側面が含まれます。低温生物学には、将来の蘇生を目的とした人間と哺乳類の低温保存であるクライオニクスが含まれますが、これは主流の低温生物学の一部ではなく、まだ発明されていない投機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低温工学に依存しています。
多くの生物は、水の凝固点以下の温度で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物質を蓄積します。特に多くの植物は、-4 ℃から-12 ℃の温度に安全に耐えることができます。
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・グラシエイの3種の細菌は、氷の中で何千年もの間凍結された後、復活したと報告されている。シュードモナス・シリンガエなどの特定の細菌は、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、それを使って約-2 ℃でさまざまな果物や植物の表面に氷を形成させる 。[ 1 ]凍結によって上皮に損傷が生じ、下にある植物組織の栄養素が細菌に利用可能になる。[ 2 ]リステリアは -1.5 ℃という低温でもゆっくりと増殖し、冷凍食品の中でしばらくの間生存する。 [ 3 ]
多くの植物は、0 °C 未満の温度で数週間から数か月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、植物が氷点下の温度で生き延びるために発達させる細胞および分子レベルの適応を研究します。凍結保存は植物低温生物学における重要な技術であり、植物組織や種子を液体窒素で保存することにより、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、寒冷地での農業生産性の向上、植物遺伝資源の保存の改善、気候変動が植物の生物多様性に及ぼす影響の理解を目指しています。[ 4 ] [ 5 ]
0 °C未満で生存できる線虫には、Trichostrongylus colubriformisとPanagrolaimus davidiが含まれます。ゴキブリの幼虫 ( Periplaneta japonica ) は、-6 ～ -8 °C での短時間の凍結に耐えることができます 。アカヒラタキクイムシ ( Cucujus clavipes ) は、-150 °C まで凍結した後でも生存できます。[ 6 ]キノコバエExechia nugatoria は、体には氷の結晶が形成されるが頭部には形成されないという独特のメカニズムにより、 -50 °C まで凍結した後でも生存できます。別の耐凍性甲虫はUpis ceramboidesです。[ 7 ]昆虫の冬の生態と不凍タンパク質を参照してください。-273 °Cまでの温度に短時間耐えることができる別の無脊椎動物はクマムシです。
線虫の一種であるHaemonchus contortusの幼虫は、 -196 ℃で凍結保存した場合、44週間生存することができる。
アカガエル（Rana sylvatica ）は、冬になると体の最大45%が凍って氷になることがあります。「氷の結晶は皮膚の下に形成され、体の骨格筋の間に散在します。凍結中は、カエルの呼吸、血流、心拍が停止します。凍結は、細胞内の凍結と脱水を防ぐ特殊なタンパク質とグルコースによって可能になります。」[ 8 ] [ 9 ] アカガエルは-4 ℃で凍結しても最大11日間生存できます。
体温が 0 °C を下回っても生存できる他の脊椎動物には、ニシキガメ ( Chrysemys picta )、ハイイロアマガエル( Hyla versicolor )、ヌマガエル(Rana arvalis)、ハコガメ( Terrapene carolina - -2 °C で 48 時間)、アマガエル( Pseudacris crucifer )、ガータースネーク( Thamnophis sirtalis - -1.5 °C 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 °C で 24 時間)、[ 10 ]ヨーロッパトカゲ ( Lacerta vivipara )、およびPagothenia borchgrevinkiなどの南極の魚類が含まれます。[ 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与えるために使用されてきた。
冬眠中のホッキョクジリスは 、腹部の温度が-2.9 ℃（26.8 °F）まで低下し、頭部と首部の温度は0 ℃以上 であるにもかかわらず、腹部の温度が3週間以上も氷点下を維持することがある。 [ 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、エジプトで低温が医療に用いられていました。ヒポクラテスは、出血や腫れを止めるために低温療法を推奨していました。近代科学の出現に伴い、ロバート・ボイルは動物に対する低温の影響を研究しました。
1949年、クリストファー・ポルゲ率いる科学者チームによって、雄牛の精液が初めて凍結保存された。[ 14 ]これにより、今日では凍結保存 がはるかに広く利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る。心臓などの大きな臓器は、移植のために、凍結しない低温で短期間だけ保存および輸送されるのが一般的である。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永久的に保存できる場合がある（凍結保存）。人間の精子、卵子、胚は、不妊研究や治療において日常的に保存されている。制御速度凍結と緩慢凍結は、1970年代初頭に開拓された確立された技術であり、1984年にヒト胚凍結出産（ゾーイ・レイランド）を初めて実現させた。それ以来、プログラム可能なステップ、つまり制御速度を用いて生物学的サンプルを凍結する装置は、ヒト、動物、細胞生物学において世界中で使用されてきた。サンプルを「凍結」して最終的な解凍時の保存性を高め、その後液体窒素で超低温凍結（凍結保存）する。このような装置は、病院、動物病院、研究室において、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に使用されている。「緩慢凍結」された胚からの生児出産数は約30万～40万で、体外受精による出産数約300万の20%に相当する。オーストラリアのクリストファー・チェン博士は、1986年にイギリス製の制御速度冷凍装置で凍結した卵子を用いた世界初の妊娠例を報告した。
凍結手術（氷の形成によって意図的かつ制御された組織破壊を行う治療法）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行われた。
応用科学としての低温生物学は、主に低温保存に関心を寄せている。低温保存は通常、0 ℃以上だが哺乳類の正常体温（32 ℃～37 ℃）より低い温度で行われる。一方、凍結保存は-80℃～-196℃の温度範囲で行われる。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が、凍結保存の対象となるのは単細胞が最も一般的である。
低温保存における経験則として、温度が 10 °C 低下するごとに酸素消費量 が 50% 減少する。[ 15 ]冬眠動物は低温に伴う代謝不均衡を回避するメカニズムを適応させているが、移植用に維持される低温臓器および組織は、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に特別な保存液を必要とする。この目的のために、 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が設計されている。[ 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、浮腫を予防し、 ATP損失を補償するなどの成分も含まれている。
細胞の凍結保存は、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」に基づいており、過度に急速な冷却は細胞内氷の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圧壊によって細胞を死滅させると述べている。[ 17 ]ゆっくりとした冷却中、氷は細胞外に形成され、浸透圧によって水が細胞から流出し、細胞が脱水状態になる。細胞内氷は細胞外氷よりもはるかに大きな損傷を与える可能性がある。
赤血球の場合、最適な冷却速度は非常に速い（ 毎秒約 100 °C）のに対し、幹細胞の場合、最適な冷却速度は非常に遅い（ 毎分 1 °C）です。ジメチルスルホキシドやグリセロールなどの凍結保護剤は、細胞を凍結から保護するために使用されます。さまざまな細胞タイプが 10% ジメチルスルホキシドによって保護されます。[ 18 ]低温生物学者は、凍結保護剤の濃度（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、液体窒素に浸される前に、最適な速度で-30～-40 ° Cの温度まで冷却されることがあり ます。
緩慢冷却法は、細胞には核形成物質がほとんど含まれていない一方で、適度に脱水された細胞内での氷の形成を防ぐ天然のガラス化物質が含まれているという事実に基づいています。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（氷の形成ゼロ）を実現するための凍結保護剤の混合物を模索しています。ガラス化法は、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という課題を抱えています。
ヒトの配偶子および2細胞期、4細胞期、8細胞期の胚は、十分に管理された実験室条件下で-196 ℃で10年間凍結保存に耐えることができる。 [ 19 ]
不妊治療におけるヒトの凍結保存は、胚、精子、または卵子を凍結保存することによって行われます。体外受精は、精子を解凍して「新鮮な」卵子に導入するか、凍結卵子を解凍して精子を卵子と一緒に子宮に戻すか、凍結胚を子宮に戻すことによって試みられます。ガラス化法には欠点があり、卵子単体では温度に非常に敏感であるため、従来の緩慢凍結法ほど受精精子、卵子、または胚を凍結保存する信頼性や実績はありません。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することを期待して、卵子とともに卵巣組織も凍結保存しています。2004年、ベルギーのルーヴァンのドネは、凍結卵巣組織からの卵巣出産に初めて成功したと報告しました。 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、(Planer、英国)制御速度冷凍庫で凍結保存され、その後液体窒素中に保管された。患者が早期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、腹腔鏡下で卵巣皮質組織の同所性自家移植が行われ、5か月後に再移植の兆候から規則的な排卵周期の回復が示された。再移植から11か月後、生存可能な子宮内妊娠が確認され、その結果、このような生児出産としては初めてとなるタマラという名の女の子が生まれた。[ 20 ]
治療的低体温療法、例えば「冷たい」心臓（氷の形成を伴わない低温灌流によって生成される）に対する心臓手術では、手術時間を大幅に延長することができ、患者の回復率を向上させる。
低温生物学会は、低温が生物系に及ぼす影響に共通の関心を持つ生物学、医学、物理学分野の研究者を集めるために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約280名の会員がおり、その半数は米国在住です。学会の目的は、低温生物学における科学研究を促進し、この分野の科学的理解を深め、この知識を人類の利益のために普及・応用することです。学会は、すべての会員に対し、専門的活動を行う上で最高の倫理的および科学的基準を求めています。学会の規約によれば、学会に有害とみなされる行為を行った申請者には入会を拒否することができます。1982年には、ジェリー・リーフなどの冷凍保存主義者の会員の反対にもかかわらず、「蘇生を期待して死者を冷凍する行為や応用」を明確に排除するよう規約が改正されました。[ 21 ]学会は、低温生物学のあらゆる側面を網羅する年次科学会議を開催しています。この国際会議では、低温生物学の最新の研究発表や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レビューすることもできます。会員は、学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ます。低温生物学会の 2011～2012 年の会長は、ジョン H. クロウでした。[ 22 ]
低温生物学会は1964年に設立され、2003年に登録慈善団体となりました[ 23 ]。その目的は、あらゆる種類の生物とその構成細胞、組織、器官に対する低温の影響に関する研究を促進することです。2006年現在、同会には約130名（主に英国とヨーロッパ）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、時事的なテーマに関するシンポジウムと、低温生物学のあらゆる側面に関する自由発表のセッションが含まれます。最近のシンポジウムでは、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（冷却中の水系におけるガラス形成）、凍結乾燥、組織バンクなどが取り上げられました。会員には、現在年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、この分野における最も権威ある科学誌であり、毎年約60件の査読付き論文が掲載されています。掲載される論文は、低温生物学および医学のあらゆる側面（例：凍結、凍結乾燥、冬眠、耐寒性および適応、凍結保護化合物、低温の医療応用、凍結手術、低体温、臓器灌流など）を扱っています。
Cryo Lettersは、英国を拠点とする独立系の速報誌であり、低温が様々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、あるいは生物学的および生態学的トピックの調査における低温技術を用いた研究に関する論文を掲載しています。
『Biopreservation and Biobanking』（旧称：『Cell Preservation Technology』）は、メアリー・アン・リーバート社が発行する査読付き季刊科学誌で、凍結保存、乾燥状態（無水状態）、ガラス状態、低温保存など、多様な保存技術を専門としています。 『Cell Preservation Technology』は『Biopreservation and Biobanking』に改名され、国際生物環境リポジトリ協会の公式ジャーナルとなっています。
『Problems of Cryobiology and Cryomedicine』（旧誌名『Kriobiologiya』（1985～1990年）および『Problems of Cryobiology』（1991～2012年））は、低温生物学および低温医学問題研究所が発行している。この雑誌は、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る。[ 24 ]