Dimethylsulfoxid (DMSO) ist das am häufigsten verwendete permeierende Kryoprotektivum in der Zellkryokonservierung und spielt eine unersetzliche und entscheidende Rolle bei der Tieftemperaturlagerung von Zellen.
Wichtigste Wirkmechanismen:
1. Verhinderung der Eiskristallbildung (primäre Funktion)
Schlüsselprinzip: Intrazelluläre Eiskristalle können Zellmembranen und Organellen durchstechen und zum Zelltod führen. DMSO schützt Zellen, indem es den Gefrierpunkt senkt und die Eiskristallbildung reduziert.
(1) Senkung des Gefrierpunkts: DMSOdringt schnell in die Zellmembran ein, bindet sich mit Wassermolekülen und senkt den Gefrierpunkt der intrazellulären Lösung.
(2) Hemmung von Eiskristallen: Es reduziert die Eiskristallbildung während des Einfrierens und verhindert, dass scharfe Kristalle Zellmembranen und Organellen durchstechen.
(3) Vitrifizierung: Es fördert die Bildung eines glasartigen Zustands (eines nicht-kristallinen Festkörpers) von Wasser bei niedrigen Temperaturen und mildert so physikalische Schäden.
2. Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts
(1) Ersetzen von Wasser: DMSO ersetzt teilweise das intrazelluläre Wasser und verringert drastische Volumenänderungen, die durch zelluläre Dehydratation während des Gefrierens verursacht werden.
(2) Pufferung des osmotischen Drucks: Es wirkt synergistisch mit anderen Medienkomponenten (wie fötalem Kälberserum), um den osmotischen Schock während des Gefrier-Auftau-Prozesses abzupuffern.
(3) Verhinderung von Schrumpfung/Schwellung: Es verhindert, dass Zellen aufgrund eines osmotischen Ungleichgewichts schrumpfen oder anschwellen und platzen.
3. Schutz von Zellmembranen und Proteinstrukturen
(1) Stabilisierung von Zellmembranen: Es interagiert mit Membranlipiden, um eine stabile Lipid-Doppelschichtstruktur zu bilden, und verhindert so einen Membranriss, der durch die verringerte Fluidität bei niedrigen Temperaturen verursacht wird.
(2) Verhinderung der Proteindenaturierung: Es verringert die Proteindenaturierung, die durch erhöhte Elektrolytkonzentrationen und pH-Änderungen während des Gefrierens verursacht wird.
(3) Antioxidative Wirkung: Es besitzt antioxidative Eigenschaften und fängt reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die während des Gefrierprozesses entstehen, ab oder reduziert sie.
4. Erhöhung der intrazellulären Ionenkonzentration
(1) Erhöhung der Viskosität: Es erhöht die Viskosität der intrazellulären Lösung und verringert die Beweglichkeit der Wassermoleküle.
(2) Verzögerung des Gefrierprozesses: Er verlangsamt den Gefrierprozess und gibt den Zellen mehr Zeit, sich an die Niedrigtemperaturumgebung anzupassen.
(3) Verringerung von Schäden: Er minimiert die Bildung intrazellulärer Eiskristalle und reduziert dadurch Zellschäden.
