Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО
С использованием метода волюмометрии определены коэффициенты проницаемости мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО. Установлено, что при увеличении размеров клеток проницаемость их мембран для молекул ДМСО уменьшается. Численное моделирование осмотического поведения клеток СПЭВ при замораживании...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5394 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО / И.Ф. Коваленко, С.В. Кощий, Е.В. Тимофеева, А.В. Сакун, С.Е. Коваленко, И.П. Высеканцев, Л.Ф. Розанов // Пробл. криобиологии. — 2009. — T. 19, № 1. — С. 25-31. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860000714658414592 |
|---|---|
| author | Коваленко, И.Ф. Кощий, С.В. Тимофеева, Е.В. Сакун, А.В. Коваленко, С.Е. Высеканцев, И.П. Розанов, Л.Ф. |
| author_facet | Коваленко, И.Ф. Кощий, С.В. Тимофеева, Е.В. Сакун, А.В. Коваленко, С.Е. Высеканцев, И.П. Розанов, Л.Ф. |
| citation_txt | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО / И.Ф. Коваленко, С.В. Кощий, Е.В. Тимофеева, А.В. Сакун, С.Е. Коваленко, И.П. Высеканцев, Л.Ф. Розанов // Пробл. криобиологии. — 2009. — T. 19, № 1. — С. 25-31. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | С использованием метода волюмометрии определены коэффициенты проницаемости мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО. Установлено, что при увеличении размеров клеток проницаемость их мембран для молекул ДМСО уменьшается. Численное моделирование осмотического поведения клеток СПЭВ при замораживании в присутствии ДМСО показало, что при охлаждении со скоростью 1ºС/мин дегидратация клеток СПЭВ происходит в диапазоне температур –7,5...– 13ºС, а увеличение скорости охлаждения до 5ºС/мин и выше может стать причиной внутриклеточной кристаллизации.
З використанням методу волюмометрії визначені коефіцієнти проникності мембран клітин СПЕВ для молекул води та ДМСО. Встановлено, що при збільшенні розмірів клітин проникність їх мембран для молекул ДМСО зменшується. Чисельне моделювання осмотичної поведінки клітин СПЕВ при заморожуванні в присутності ДМСО показало, що при охолодженні зі швидкістю 1ºС/хв дегідратація клітин СПЕВ відбувається в діапазоні температур –7,5...–13ºС, а збільшення швидкості охолодження до 5ºС/хв і вище може бути причиною внутрішньоклітинної кристалізації.
Using the volumetry method there were defined the permeability coefficients of SPEV cell membranes for water and DMSO. It has been established that with increasing the volumes of cell dimensions their membrane permeability for DMSO molecules reduces. Numeric modeling of osmotic behavior of SPEV cells during freezing in DMSO presence has shown that during cooling with 1ºC/min the dehydration of SPEV cells occurs within the temperature range of –7.5...–13ºC and the rise of cooling rate up to 5ºC/min and higher may be the cause of intracellular crystallization.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:35:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
25 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
УДК 57.043:579.2:57.086.8
È.Ô. ÊÎÂÀËÅÍÊÎ*, Ñ.Â. ÊÎÙÈÉ, Å.Â. ÒÈÌÎÔÅÅÂÀ, À.Â. ÑÀÊÓÍ,
Ñ.Å. ÊÎÂÀËÅÍÊÎ, È.Ï. ÂÛÑÅÊÀÍÖÅÂ, Ë.Ô. ÐÎÇÀÍÎÂ
Ïðîíèöàåìîñòü ìåìáðàí êëåòîê ÑÏÝÂ
äëÿ ìîëåêóë âîäû è ÄÌÑÎ
UDC 57.043:579.2:57.086.8
I.F. KOVALENKO*, S.V. KOSCHIY, E.V. TIMOFEYEVA, A.V. SAKUN,
S.YE. KOVALENKO, I.P. VYSEKANTSEV, L.F. ROZANOV
Permeability of SPEV Cell Membranes
for Water and DMSO Molecules
С использованием метода волюмометрии определены коэффициенты проницаемости мембран клеток СПЭВ для молекул
воды и ДМСО. Установлено, что при увеличении размеров клеток проницаемость их мембран для молекул ДМСО уменьшается.
Численное моделирование осмотического поведения клеток СПЭВ при замораживании в присутствии ДМСО показало, что
при охлаждении со скоростью 1С/мин дегидратация клеток СПЭВ происходит в диапазоне температур –7,5...– 13С, а увеличение
скорости охлаждения до 5С/мин и выше может стать причиной внутриклеточной кристаллизации.
Ключевые слова: коэффициенты проницаемости, клетки СПЭВ, волюмометрия.
З використанням методу волюмометрії визначені коефіцієнти проникності мембран клітин СПЕВ для молекул води та
ДМСО. Встановлено, що при збільшенні розмірів клітин проникність їх мембран для молекул ДМСО зменшується. Чисельне
моделювання осмотичної поведінки клітин СПЕВ при заморожуванні в присутності ДМСО показало, що при охолодженні зі
швидкістю 1С/хв дегідратація клітин СПЕВ відбувається в діапазоні температур –7,5...–13С, а збільшення швидкості
охолодження до 5С/хв і вище може бути причиною внутрішньоклітинної кристалізації.
Ключові слова: коефіцієнти проникності, клітини СПЕВ, волюмометрія.
Using the volumetry method there were defined the permeability coefficients of SPEV cell membranes for water and DMSO. It has
been established that with increasing the volumes of cell dimensions their membrane permeability for DMSO molecules reduces.
Numeric modeling of osmotic behavior of SPEV cells during freezing in DMSO presence has shown that during cooling with 1C/min
the dehydration of SPEV cells occurs within the temperature range of –7.5...–13C and the rise of cooling rate up to 5C/min and higher
may be the cause of intracellular crystallization.
Keywords: permeability coefficients, SPEV cells, volumetry.
* Àâòîð, êîòîðîìó íåîáõîäèìî íàïðàâëÿòü êîððåñïîíäåíöèþ:
óë. Ïåðåÿñëàâñêàÿ, 23, ã. Õàðüêîâ, Óêðàèíà 61015; òåë.:+38
(057) 373-31-19, ôàêñ: +38 (057) 373-30-84, ýëåêòðîííàÿ ïî÷òà:
cryo@online.kharkov.ua
Èíñòèòóò ïðîáëåì êðèîáèîëîãèè è êðèîìåäèöèíû
ÍÀÍ Óêðàèíû, ã. Õàðüêîâ
Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine of the Na-
tional Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, Ukraine
* To whom correspondence should be addressed: 23,
Pereyaslavskaya str., Kharkov, Ukraine 61015; tel.:+380 57 373
3119, fax: +380 57 373 3084, e-mail:cryo@online.kharkov.ua
Перевиваемые клеточные культуры часто ис-
пользуются как модель для решения многих
проблем общебиологического значения, таких как
дифференцировка клеток, межклеточные контакты,
канцерогенез, передача наследственной информа-
ции, получение высокоэффективных вакцин и про-
тивовирусных препаратов в достаточном коли-
честве. Известно, что клетки в процессе длитель-
ного культивирования могут изменять свои исход-
ные свойства [2]. В связи с этим актуально созда-
ние криобанков перевиваемых клеточных культур,
а также разработка новых эффективных и надеж-
ных методов криоконсервирования этих клеток.
Большинство известных методов криоконсерви-
рования перевиваемых клеточных культур базиру-
ется на эмпирическом подходе, использовании ин-
туитивных представлений о путях оптимизации
условий криоконсервирования. Но такой метод не
Inoculated cell cultures are frequently used as the
model for solving nay tasks of general biological value,
such as cell differentiation, intercellular contacts, can-
cerogenesis, transfer of hereditary information, obtain-
ing of highly efficient vaccines and anti-viral formu-
lations in a sufficient quantity. Its is known that the
cells during long-term culturing may change their initial
properties [2]. In this connection the establish-ment of
cryobanks of inoculated cell cultures has become an
actual task, as well as the development of new effec-
tive and reliable cryopreservation protocols for these
cells.
The majority of available cryopreservation methods
for inoculated cell cultures is based on empirical appro-
ach using intuitive notions about the ways of optimizing
the cryopreservation conditions. However this method
does not answer the question about admissible limits
of varying different factors during cryopreservation.
26 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
даёт ответа на вопрос о допустимых пределах
варьирования различных факторов при криокон-
сервировании.
Основой поиска оптимальных методических
решений при разработке методов криоконсервиро-
вания может стать экспериментально-теорети-
ческий подход, использующий модифицированную
физико-математическую модель Кедем-Качальс-
кого [1]. Такой подход направлен на оптимизацию
процессов массообмена в системе “клетка окру-
жающая среда” в цикле криоконсервирования и тре-
бует конкретизации данных о составе вне- и
внутриклеточной среды, проницаемости и морфо-
метрических параметрах клеток. Актуальность
исследований процессов массообмена определя-
ется и тем, что они, согласно двухфакторной теории
криоповреждения, являются основными при опти-
мизации условий криоконсервирования [1].
Цель работы определение коэффициентов
проницаемости клеток СПЭВ для молекул воды и
диметилсульфоксида, а также моделирование их
осмотического поведения при криоконсервировании
с использованием полученных коэффициентов
проницаемости.
Ìàòåðèàëû è ìåòîäû
Объектом исследования служили клетки пере-
виваемой клеточной культуры СПЭВ (эмбриональ-
ная почка свиньи), диаметр которых в экспери-
менте составлял 14–22 мкм.
Перевиваемая клеточная линия СПЭВ была
выращена в культуральных матрасах в среде 199
с добавлением 10%-й эмбриональной телячьей
сыворотки и 100 ед/мл канамицина. Клетки инкуби-
ровали при 37С до образования монослоя, затем
переводили в суспензионное состояние, обрабаты-
вая монослой смесью раствора Версена с трипси-
ном (4:1) [3].
Исследования проводили на инвертированном
микроскопе МБИ-13 (“ЛОМО”). Для изучения
динамики осмотической реакции клеток СПЭВ на
добавление 1М раствора ДМСО суспензию клеток
фотографировали через определенные промежутки
времени. Полученные данные представляли в виде
зависимостей относительных объемов отдельных
клеток от времени экспозиции в растворе ДМСО.
Коэффициенты проницаемости плазматических
мембран клеток СПЭВ для молекул воды Lp и
криопротектора Kp определяли, сопоставляя экспе-
риментальные значения изменения относительного
объема клетки от времени экспозиции y(t) с реше-
ниями уравнений теоретической модели для задан-
ных экспериментальных условий.
Процессы массопереноса через клеточные
мембраны при наличии одного проникающего и
The basis of the search for optimal methodical
solutions during the development of cryopreservation
protocols may be a combined experimental and theoretical
approach using modified physical-mathematical model
of the Kedem-Katchalsky one [1]. This approach is
directed to optimize the processes of mass exchange
in the “cell-environment” system in cryopreservation
cycle and requires the specifying of the data on the
composition of extra- and intracellular medium, per-
meability and morphometric parameters of cells. The
actuality of studying the mass exchange processes is
determined by the fact that according to two-factor
theory of cryodamage they are the main ones during
optimization of cryopreservation conditions [1].
The research aim is examining the permeability
coefficients of SPEV cells for water and DMSO
molecules, as well as modeling their osmotic behavior
during cryopreservation using the obtained permeability
coefficients.
Materials and methods
The cells of SPEV, inoculated cell culture (porcine
embryonic kidney) served as the research object, their
diameter in the experiment made 14–22 m.
Inoculated cell line SPEV was grown in cultural
flask in medium 199 with adding 10% fetal calf serum
and 100 units/ml kanamycin. The cells were incubated
at 37C up to the formation of monolayer, afterwards
they were transferred into suspension state with
treating the monolayer with the mixture of Versene
solution and trypsin (4:1) [3].
The studies were performed with inverted micro-
scope MBI-13 (“LOMO”, Russia). To examine the
dynamics of osmotic reaction of SPEV cells on the
adding of 1M DMSO solution the cell suspension was
photographed in certain time periods. The obtained data
were represented as the dependences of relative volu-
mes of separate cells on exposure time in DMSO solu-
tion.
The permeability coefficients of plasma membranes
of SPEV cells for water molecules Lp and cryopro-
tective agent Kp were examined by comparing the
experimental values of the changes in cell relative
volume on exposure time y(t) with solving the equations
of theoretical model for the set experimental conditions.
The processes of mass transfer via cell membranes
in the presence of one penetrating agent and those non-
penetrating are described by the system of equations
[1]:
11ˆˆ1
111
0
ydt
dy outin
ydt
dy
dt
d inoutin
in 1ˆˆˆ1ˆ
1111
1
1 ,
27 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
непроникающего веществa описываются системой
уравнений [1]:
11ˆˆ1
111
0
ydt
dy outin
ydt
dy
dt
d inoutin
in 1ˆˆˆ1ˆ
1111
1
1 ,
где у – относительный объём клетки (y = V/V0; V0
начальный объём клетки); 0 и 1 комплексы
параметров 0 = 1/Lp00
in, 1 = 1/Kp0; 0 – поверх-
ностно-объёмное отношение клетки
3
2
0
0
0
3
4
4
r
r
V
S
Dr
63
;
1 – коэффициент отражения для проникающего
через мембрану вещества; 0
in – осмотическое
давление изотонического раствора; out
1̂ и in
1̂ –
приведенное осмотическое давление первого раст-
ворённого вещества вне- и внутри клетки соот-
ветственно ( inoutout
011 /ˆ , ininin
011 /ˆ ); –
объёмная доля осмотически неактивных веществ
внутри клетки.
Значение определяли экстраполяцией нанесен-
ной на график зависимости относительного объема
клеток от 0
in/ ( – осмотическое давление гипер-
тонического внеклеточного раствора хлористого
натрия) к нулевому значению аргумента.
Коэффициенты проницаемости мембран клеток
СПЭВ определяли, решая дифференциальные
уравнения. Коэффициент отражения клеточной
мембраны 1 во всех расчётах принимали равным
0,95.
Используемая нами физико-математическая
модель достаточно адекватно описывает и осмо-
тическое поведение клеток на этапе заморажи-
вания. Решениями модели при известных значе-
ниях Lp и Kp являются зависимости y(T), 1
in(T) и
2
in(T) от температуры. Такие решения несложно
получить для линейных режимов охлаждения,
перейдя к новым переменным:
dT
dy
dT
dT
dt
dy
,
где – скорость охлаждения ( = dT/dt);
T
T
TR
U
TLTL pp
0
00
0
0 1exp ;
where y is cell relative volume y = V/V0, here V0 –
initial cell volume; 0 and 1 – the complexes of
parameters 0 = 1/Lp00
in, 1 = 1/Kp0, here 0 – cell
surface to volume ratio
3
2
0
0
0
3
4
4
r
r
V
S
Dr
63
;
1 – reflection coefficient for penetrating trough memb-
rane substance; 0
in – osmotic pressure of isotonic
solution; 1
out and 1
in are values of normalized pressure
of the first dissolved substance out- and inside the cell,
correspondingly ( inoutout
011 /ˆ , ininin
011 /ˆ );
– volumetric share of osmotically inactive substance
inside a cell.
The value was found with extrapolation of plotted
dependence of relative volume of cells from 0
in/(
is osmotic pressure of hypertonic extracellular solu-
tion of sodium chloride) to zero value of the argument.
Permeability coefficients of SPEV cell membranes
were examined by solving the differential equations.
The reflection coefficient of cell membrane 1 in all
the calculations was assumed as equal to 0.95.
Used by us physical-mathematical model quite ade-
quately describes the osmotic behavior of cells at
freezing stage. The solutions of the model at the known
values Lp and Kp are the dependences у(T), 1
in(T)
and 2
in(T) on temperature. These solutions can be
easily obtained for linear cooling regimens changing to
new variables:
dT
dy
dT
dT
dt
dy
,
where is cooling rate ( = dT/dt);
T
T
TR
U
TLTL pp
0
00
0
0 1exp ;
T
T
TR
UTKTK pp
0
00
1
0 1exp ,
where T0 – initial temperature of cell suspension; U0
and U1 – activation energies of transfer of water
molecules and dissolved substance through plasma
membrane, correspondingly; R0 – universal gas constant.
Osmotic behavior of cells during freezing with
various rates was forecasted by the insertion of the
found values Lp and Kp into the model equation.
The system of differential equations describing the
kinetics of the change of cell relative volume and
concentration of penetrating through plasma membrane
substance inside a cell during extracellular crystal-
lization has the appearance [1]:
28 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
T
T
TR
UTKTK pp
0
00
1
0 1exp ,
где T0 исходная температура клеточной суспен-
зии; U0 и U1 энергии активации процесса переноса
через плазматическую мембрану молекул воды и
растворённого вещества соответственно; R0 уни-
версальная газовая постоянная.
Прогнозирование осмотического поведения кле-
ток при замораживании с различными скоростями
осуществляли, подставляя в уравнения модели
найденные значения Lp и Kp.
Система дифференциальных уравнений, описы-
вающая кинетику изменения относительного объе-
ма клетки и концентрацию проникающего через
плазматическую мембрану вещества внутрь
клетки в процессе внеклеточной кристаллизации,
имеет вид [1]:
1ˆˆ/)1ˆ(expˆ 11
in
y
TTap
Td
dy
;ˆ
)1()1(ˆ
)(ˆ)1(ˆ
1 2
002
0101
1
out
in
gg
gyg
]ˆ)1(1ˆ{[ˆ
ˆ
2111
1 Ф
yy
p
Td
d out
out
in
in
]ˆˆ)1[(] 111
in
]};ˆ/)1ˆ(exp[)ˆˆ(]ˆ/)1ˆ(exp[ 21 TTbФqTT
Td
out
out
in
где T̂ относительная температура суспензии
( 0/ˆ TTT ); g0 – начальное значение отношения
суммарного объема клеток к полному объему
системы; p, q, a, b – безразмерные комплексы:
00
1
00
0
01
00
0
0 ,,
)(
)(
,
TR
Ub
TR
U
a
T
T
q
T
p
.
Кинетику изменения концентрации внекле-
точного раствора в процессе замораживания зада-
вали при расчетах аналитически путем аппрокси-
мации фазовой диаграммы плавления водного
раствора ДМСО [2] в следующем виде:
C = 1,273·10-5×T4 - 0,0128×T3 + 4,8324×T2 –
– 801,939×T + 49674,1;
где Т – текущая температура.
Статистическую обработку результатов экспе-
риментов проводили по методу Стьюдента-Фишера.
Достоверность различий оценивали с помощью t-
критерия с уровнем значимости 5%.
1ˆˆ/)1ˆ(expˆ 11
in
y
TTap
Td
dy
;ˆ
)1()1(ˆ
)(ˆ)1(ˆ
1 2
002
0101
1
out
in
gg
gyg
]ˆ)1(1ˆ{[ˆ
ˆ
2111
1 Ф
yy
p
Td
d out
out
in
in
]ˆˆ)1[(] 111
in
]};ˆ/)1ˆ(exp[)ˆˆ(]ˆ/)1ˆ(exp[ 21 TTbФqTT
Td
out
out
in
where T̂ – relative temperature of suspension
( 0/ˆ TTT ); g0 – initial value of the ratio of total cell
volume to bulk volume of the system; p, q, a, b –
dimensionless complexes:
00
1
00
0
01
00
0
0 ,,
)(
)(
,
TR
Ub
TR
U
a
T
T
q
T
p
.
The kinetics of changes in concentration of extra-
cellular solution during freezing was determined when
calculating analytically by means of approximation of
phase diagram of melting for aqueous solution of DMSO
[2] as follows:
C = 1.273·10-5×T4 – 0.0128×T3 + 4.8324×T2 –
– 801.939×T + 49674.1;
where T – current temperature.
The results of experiments were statistically
processed using the method of Student-Fisher. The
statistical significance of differences was assessed by
means of t-criterion with 5% significance level.
Results and discussion
When processing the obtained dependences of
SPEV cell relative volume on exposure time in 1M
DMSO solution its has been found that the cells of
various sizes recover the volumes with different rates.
In this connection we attempted to use the differential
approach when defining the permeability coefficients
for the cells with different sizes.
Fig. 1 shows the characteristic experimental depen-
dences of the volume changes for the cells with
different sizes vs. the contact time with DMSO soluti-
on and the theoretical curves, extrapolating osmotic
behavior of cells. It has been established that the cell
rehydration time with big initial volume after dehyd-
ration phase increases. According to calculations of
the permeability coefficients this dependence is
associated not only to lesser surface-volume ratio of
big size cells, but also likely to the change of properties
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
При обработке полученных зави-
симостей относительного объема
клеток СПЭВ от времени экспози-
ции в 1М растворе ДМСО установ-
лено, что клетки разных размеров
восстанавливают объем с разной
скоростью. В связи с этим мы пред-
приняли попытку подойти к опреде-
лению коэффициентов проницаемос-
ти клеток разных размеров диффе-
ренцированно.
На рис.1 представлены характер-
ные экспериментальные зависимос-
ти изменения объемов клеток раз-
ных размеров от времени контакта
с раствором ДМСО и экстраполи-
рующие осмотическое поведение
клеток теоретические кривые. Уста-
новлено, что время регидратации
клеток с большим исходным объе-
мом после фазы дегидратации уве-
личивается. Согласно расчетам
коэффициентов проницаемости такая
зависимость связана не только с
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300
О
тн
ос
ит
ел
ьн
ы
й
об
ъе
м
V
/V
0
R
el
at
ive
v
ol
um
e
V
/V
0
Время экспозиции, с
Exposure time, s
Рис. 1. Характерные экспериментальные зависимости относительных
объемов клеток СПЭВ от времени контакта с раствором ДМСО и теоре-
тические кривые, экстраполирующие осмотическое поведение клеток
(средние диаметры клеток, мкм: 1 – 14,4; 2 – 15,9; 3 – 17,9; 4 – 20,3).
Fig. 1. Characteristic experimental dependences of relative volumes of SPEV
cells on time of contact with DMSO solution and theoretical curves extra-
polating osmotic behavior of cells, mean diameters of cells, m (1– 14.4; 2 –
15.9; 3 – 17.9; 4 – 20.3).
меньшим поверхностно-объемным отношением
клеток больших размеров, но и, по-видимому, с
изменением свойств, определяющих проницае-
мость мембран для молекул ДМСО.
В таблице приведены средние значения коэф-
фициентов проницаемости клеток разных размеров
для молекул воды и ДМСО. Коэффициент фильт-
рации мембран клеток разных размеров имеет
пределы (5,30 3,20)1014(14,3 5,2)1014 м3/Нс.
При этом, хотя и имеются достоверные отличия
между отдельными группами клеток, зависимость
Lp от размера клетки выражена неявно. В то же
время с увеличением размеров клеток коэффи-
determining the permeability of membranes for DMSO
molecules.
The table covers the mean values of permeability
coefficients of the cells with different sizes for water
and DMSO molecules. Filtration coefficient of cell
membra-nes of different sizes has the limits (5.30
3.20)1014(14.3 5.2)1014 m3/Ns. Herewith though
there are significant differences between some groups
of cells, the Lp dependence on cell size is slightly
manifested. At the same time with the rise of cells
sizes the permeability coefficient of their membranes
for DMSO molecules reduces, however the statistically
significant differences are found only for the cells, the
sizes of those significantly differ.
Using the calculated permeability coefficients and
corresponding geometrical cell parameters there was
modeled osmotic behavior of cells at the stage of their
freezing with different cooling rates.
Fig. 2 shows the dependence of relative volume of
SPEV cells with average sizes of 14.4; 15.9 and 20.3 m
on temperature during cooling with the rates of 1, 5
and 10C/min. The presented data testify to the fact
that with the rising of the cell size its dehydration rate
during freezing increases slightly. With cooling rate of
1C/min large cells approach the extreme dehydration
during cooling down to –7.5 and the small ones down
to –12.8C, with the cooling rate of 5C/min the dehyd-
ration period extends down to –23.8 and to –38.3C,
correspondingly, with the cooling rate of 10C/min the
dehydration rate of cells within the subzero temperature
range is insignificant.
Значения коэффициентов проницаемости клеток
разных диаметров для молекул воды и ДМСО
Values of permeability coefficients of cells of different
diameters for water and DMSO molecules
29 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
Диаметр клетки
D, мкм
Cell diameter
D, m
К оэффициент
фильтрации,
Lp10
14 м3/Нс
Filtration coefficient,
L
p
1014 m3/Ns
К оэффициент
проницаемости для
ДМСО, К р10
8 м/с
Permeability coefficient
for DMSO, K
p
108 m/s
14,4±0,47 5,41±0,58 12,00±4,00
15,9 ±0,50 8,28±2,57 7,36±2,07
17,9 ±0,74 5,30±3,20 4,61±0,50
20,3±0,82 14,3±5,2 3,80±0,60
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
О
тн
ос
ит
ел
ьн
ы
й
об
ъе
м
V
/V
0
R
el
at
ive
v
ol
um
e
V
/V
0
Температура, С
Temperature, С
Рис. 2. Зависимости относительных объёмов клеток
СПЭВ от температуры при охлаждении со скоростями 1,
5 и 10С/мин (средние диаметры клеток, мкм: 1 – 14,4; 2 –
15,9; 3 – 20,3).
Fig. 2. Dependences of relative volumes of SPEV cells on
temperature during cooling with rates of 1, 5 and 10C/min
(mean diameters of cells, m: 1– 14.4; 2 – 15.9; 3 – 20.3).
Thus resulted from the cooling of SPEV cells with
the rates higher than 1C/min the probability of intra-
cellular crystal formation may be increased, the reduced
level of which is contributed by dehydration. This fore-
cast conforms with our cryomicroscopic findings [4].
Conclusions
1. Using the volumetry method and the thermo-
dynamic equations of irreversible processes there were
defined the coefficients of permeability of SPEV cells
for water and DMSO molecules.
2. The dependence of transport characteristics of
SPEV cell membranes in non-synchronized culture
on cell size has been found.
3. The results of theoretical prediction of osmotic
behavior of SPEV cells during freezing in DMSO pre-
sence using certain permeability coefficients have
shown that during cooling of SPEV cells with the rates
higher than 1C/min the cause of intracellular crystal-
lization may be insufficient dehydration of cells during
freezing.
циент проницаемости их мембран для молекул
ДМСО уменьшается, однако достоверные отличия
обнаруживаются только для клеток, размеры
которых значительно отличаются.
Используя вычисленные коэффициенты про-
ницаемости и соответствующие геометрические
параметры клеток, моделировали осмотическое
поведение клеток на этапе их замораживания с
различными скоростями охлаждения.
На рис. 2 представлены зависимости относи-
тельного объёма клеток СПЭВ со средними раз-
мерами 14,4; 15,9 и 20,3 мкм от температуры при
охлаждении со скоростями 1, 5 и 10С/мин. Пред-
ставленные данные свидетельствуют о том, что с
увеличением размера клетки скорость её обезво-
живания при замораживании возрастает незначи-
тельно. Со скоростью охлаждения 1С/мин круп-
ные клетки достигают предельного уровня обезво-
живания при охлаждении до –7,5С, а мелкие – до
–12,8С, со скоростью охлаждения до 5С/мин
диапазон обезвоживания расширяется до –23,8С
и до –38,3С соответственно, при скорости охлаж-
дения 10С/мин степень обезвоживания клеток в
диапазоне субнулевых температур незначительна.
Таким образом, в результате охлаждения кле-
ток СПЭВ со скоростями выше 1С/мин вероят-
ность внутриклеточного кристаллообразования
может увеличиваться из-за роста внутриклеточ-
ного переохлаждения, снижению уровня которого
способствует дегидратация. Этот прогноз согласу-
ется с данными проведенных нами криомикроско-
пических исследований [4].
Âûâîäû
1. С использованием метода волюмометрии и
уравнений термодинамики необратимых процессов
определены коэффициенты проницаемости клеток
СПЭВ для молекул воды и ДМСО.
2. Установлена зависимость транспортных ха-
рактеристик мембран клеток СПЭВ в несинхрони-
зированной культуре от размера клеток.
3. Результаты теоретического прогнозирования
осмотического поведения клеток СПЭВ при замо-
раживании в присутствии ДМСО с использованием
определенных коэффициентов проницаемости
показали, что при охлаждении клеток СПЭВ со
скоростями выше 1С/мин причиной внутрикле-
точной кристаллизации может быть недоста-
точная дегидратация клеток в процессе замора-
живания.
Литература
Гордиенко Е.А., Пушкарь Н.С. Физические основы низко-
температурного консервирования клеточных суспензий.–
Киев:Наук. думка, 1994.– 142 с.
References
Gordienko E.A., Pushkar N.S. Physical bases of low tem-
perature preservation of cell suspensions.– Kiev: Naukova
Dumka, 1994.– 142 p.
Zakharov A.F. Late reduplication of chromosome in cultured
cells of Chinese hamster // Tsytologiya.– 1966.– Vol. 8, N2.–
P. 201–207.
1.
1.
2.
1
10 С/min
2
5С/min
3
1
2
3
1С/min
30 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
Cryobiology and cryotechnology / Ed. by A.A. Tsutsayeva.–
Kiev: Naukova Dumka, 1987.– 216 p.
Rozanov L.F., Vysekantsev I.P., Petrenko T.F. et al. Sensi-
tivity of cells of inoculated cell line of SPEV and Candida
albicans fungi to the processes of extra- and intracellular
crystallization // Problems of Cryobiology.– 2004.– N3.– P. 18–
25.
Accepted in 15.01.2008
Захаров А.Ф. Поздняя редупликация хромосом в культи-
вируемых клетках китайского хомячка // Цитология.–
1966.– Т. 8, №2.– С. 201–207.
Криобиология и криотехнология / Под общ. ред. А.А. Цуца-
евой.– Киев: Наук. думка, 1987.– 216 с.
Розанов Л.Ф., Высеканцев И.П., Петренко Т.Ф. и др.
Чувствительность клеток перевиваемой клеточной ли-
нии СПЭВ и грибов Candida albicans к процессам вне- и
внутриклеточной кристаллизации // Пробл. криобио-
логии.– 2004.– №3.– С. 18–25.
Поступила 15.01.2008
Рецензент А.В. Пахомов
3.
4.
31 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 19, 2009, ¹1
ÏÐÎÁËÅÌÛ
ÊÐÈÎÁÈÎËÎÃÈÈ
Ò. 19, 2009, ¹1
2.
3.
4.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5394 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7673 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:35:56Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коваленко, И.Ф. Кощий, С.В. Тимофеева, Е.В. Сакун, А.В. Коваленко, С.Е. Высеканцев, И.П. Розанов, Л.Ф. 2010-01-18T14:41:34Z 2010-01-18T14:41:34Z 2009 Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО / И.Ф. Коваленко, С.В. Кощий, Е.В. Тимофеева, А.В. Сакун, С.Е. Коваленко, И.П. Высеканцев, Л.Ф. Розанов // Пробл. криобиологии. — 2009. — T. 19, № 1. — С. 25-31. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0233-7673 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5394 57.043:579.2:57.086.8 С использованием метода волюмометрии определены коэффициенты проницаемости мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО. Установлено, что при увеличении размеров клеток проницаемость их мембран для молекул ДМСО уменьшается. Численное моделирование осмотического поведения клеток СПЭВ при замораживании в присутствии ДМСО показало, что при охлаждении со скоростью 1ºС/мин дегидратация клеток СПЭВ происходит в диапазоне температур –7,5...– 13ºС, а увеличение скорости охлаждения до 5ºС/мин и выше может стать причиной внутриклеточной кристаллизации. З використанням методу волюмометрії визначені коефіцієнти проникності мембран клітин СПЕВ для молекул води та ДМСО. Встановлено, що при збільшенні розмірів клітин проникність їх мембран для молекул ДМСО зменшується. Чисельне моделювання осмотичної поведінки клітин СПЕВ при заморожуванні в присутності ДМСО показало, що при охолодженні зі швидкістю 1ºС/хв дегідратація клітин СПЕВ відбувається в діапазоні температур –7,5...–13ºС, а збільшення швидкості охолодження до 5ºС/хв і вище може бути причиною внутрішньоклітинної кристалізації. Using the volumetry method there were defined the permeability coefficients of SPEV cell membranes for water and DMSO. It has been established that with increasing the volumes of cell dimensions their membrane permeability for DMSO molecules reduces. Numeric modeling of osmotic behavior of SPEV cells during freezing in DMSO presence has shown that during cooling with 1ºC/min the dehydration of SPEV cells occurs within the temperature range of –7.5...–13ºC and the rise of cooling rate up to 5ºC/min and higher may be the cause of intracellular crystallization. ru Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України Теоретическая и экспериментальная криобиология Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО Permeability of SPEV Cell Membranes For Water and DMSO Molecules Article published earlier |
| spellingShingle | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО Коваленко, И.Ф. Кощий, С.В. Тимофеева, Е.В. Сакун, А.В. Коваленко, С.Е. Высеканцев, И.П. Розанов, Л.Ф. Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| title | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО |
| title_alt | Permeability of SPEV Cell Membranes For Water and DMSO Molecules |
| title_full | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО |
| title_fullStr | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО |
| title_full_unstemmed | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО |
| title_short | Проницаемость мембран клеток СПЭВ для молекул воды и ДМСО |
| title_sort | проницаемость мембран клеток спэв для молекул воды и дмсо |
| topic | Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| topic_facet | Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5394 |
| work_keys_str_mv | AT kovalenkoif pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT koŝiisv pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT timofeevaev pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT sakunav pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT kovalenkose pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT vysekancevip pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT rozanovlf pronicaemostʹmembrankletokspévdlâmolekulvodyidmso AT kovalenkoif permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules AT koŝiisv permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules AT timofeevaev permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules AT sakunav permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules AT kovalenkose permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules AT vysekancevip permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules AT rozanovlf permeabilityofspevcellmembranesforwateranddmsomolecules |