Depuis plus de 60 ans, des chercheurs ont tenté de cryoconserver (ou congeler) avec succès l'embryon de poisson zèbre, une espèce qui est un modèle médical important pour la santé humaine. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université du Minnesota et du Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) fournissent la toute première preuve reproductible de la cryoconservation réussie d'embryons de poisson zèbre.

L'étude utilise la nouvelle nanotechnologie de l'or et des lasers pour réchauffer l'embryon, la pierre d'achoppement des études précédentes. Les résultats ont des implications profondes pour la santé humaine, conservation de la faune, et l'aquaculture.

La recherche est publiée aujourd'hui dans ACS Nano , une revue scientifique de premier plan publiée par l'American Chemical Society.

"Il ne fait aucun doute que l'utilisation de cette technologie, de cette façon, marque un changement de paradigme pour la cryoconservation et la conservation de nombreuses espèces sauvages, " dit Mary Hagedorn, un chercheur scientifique du SCBI et co-auteur de l'article qui travaille sur la cryoconservation d'embryons de poisson zèbre depuis 1992.

"Pour que quoi que ce soit fonctionne à des températures aussi froides, vous devez généralement faire preuve de créativité. Ici, nous adoptons une approche unique en combinant la biologie avec une technologie d'ingénierie passionnante pour faire ce qui était impossible auparavant :congeler et décongeler avec succès un embryon de poisson afin que l'embryon commence à se développer, plutôt que de s'effondrer, " ajouta Hagedorn.

En congelant le sperme, œufs et embryons, les écologistes peuvent sauvegarder les espèces en péril et leur diversité génétique, permettant de renforcer le pool génétique et donc la santé des populations sauvages des années voire des siècles plus tard. Bien que les scientifiques aient cryoconservé avec succès les embryons de nombreuses espèces de mammifères et le sperme de nombreuses espèces de poissons, la congélation d'embryons de poisson s'est avérée infiniment plus compliquée.

La cryoconservation réussie d'un embryon nécessite de refroidir l'embryon à un état cryogéniquement stable, puis le réchauffer à un rythme plus rapide qu'il n'a été refroidi, et en utilisant un antigel (ou cryoprotecteur) pour arrêter la croissance des cristaux de glace, qui sont comme des épingles dans un ballon qui font éclater la membrane et provoquent la désintégration de l'embryon. Embryons de poisson, cependant, sont très grands, ce qui rend difficile leur décongélation rapide et évite le développement de cristaux de glace. En outre, parce que les animaux aquatiques ont besoin de survivre dans des environnements difficiles, leurs membranes embryonnaires sont pour la plupart impénétrables, bloquer les cryoprotecteurs.

Entrez dans la nanotechnologie laser d'or, un domaine technologique en croissance rapide en cours de développement pour les applications de cryoconservation par John Bischof, génie mécanique de l'Université du Minnesota, qui a joué un rôle essentiel dans le succès de l'étude et a une grande variété d'applications biomédicales.

« Les lasers ont la capacité passionnante d'agir comme un « interrupteur d'éclairage » qui peut activer et désactiver l'activité biologique dans les biomatériaux chargés de nanoparticules d'or, " dit Bischof, auteur principal de l'étude. "Dans ce cas, par une ingénierie et un déploiement minutieux de nanoparticules d'or dans un embryon inactif biologiquement stocké de manière cryogénique, nous pouvons utiliser une impulsion laser pour réchauffer rapidement l'embryon à la température ambiante et changer d'activité biologique, et donc la vie, revenir sur."

Les nanotiges d'or sont de minuscules cylindres d'or qui convertissent la lumière absorbée (provenant d'un laser, par exemple) en chaleur. Les auteurs de l'étude ont injecté à la fois le cryoprotecteur et les particules de nano-or dans les embryons. Les particules d'or ont transféré la chaleur uniformément dans tout l'embryon lorsqu'elles ont été frappées avec un laser, réchauffer l'embryon de -196 degrés C à 20 degrés C en seulement un millième de seconde. Le taux de réchauffement étonnamment rapide, en combinaison avec le cryoprotecteur, empêchait la formation de cristaux de glace mortels.

Les embryons qui ont subi ce processus se sont développés au moins jusqu'au stade de 24 heures où ils ont développé un cœur, branchies, musculature de la queue et déplacée, prouvant leur viabilité après le dégel.

Les auteurs de l'étude visent ensuite à affiner le processus pour s'assurer qu'ils peuvent augmenter le taux de survie des embryons. Ils étudieront également l'utilisation de l'automatisation pour augmenter le nombre d'embryons qu'ils peuvent décongeler avec succès à la fois.

Parce que les embryons d'autres animaux aquatiques—poissons, les amphibiens et les coraux - sont très similaires à ceux du poisson zèbre, cette technologie est directement applicable à la cryoconservation d'embryons de nombreuses espèces. La technologie peut également être personnalisée pour cryoconserver des embryons de reptiles et d'oiseaux et améliorer le processus de cryoconservation des embryons de mammifères, y compris les pandas géants et les grands félins. En outre, la technologie peut aider les fermes aquacoles à devenir plus efficaces et rentables, mettant moins de pression sur les populations sauvages.

Les chercheurs en santé humaine utilisent le poisson zèbre, dont le génome est similaire à celui de l'homme, comme modèle de maladie important pour étudier le mélanome, maladies cardiaques et troubles sanguins, entre autres problèmes de santé. Les embryons de poisson zèbre cryoconservés empêcheront les scientifiques de perdre des lignes de recherche entières et leur donneront la possibilité de ramener les lignes au besoin.