T.P.E. 1ere S - Année 2015/2016

LA CONSERVATION DES CORPS

Quels procédés adopter afin qu’un corps échappe aux différentes étapes d’une thanatomorphose?

La cryogénisation

La cryogénisation est un procédé de conservation à très basse température de tout ou parties d'êtres vivants, dans l'espoir de pouvoir les ressusciter ultérieurement.

 

En 1964, Robert Ettinger est le premier a employé le terme de « cryogénisation » dans son ouvrage « L’Homme est immortel ».

 

Trois ans plus tard, en 1967, James Bedford devient le premier humain « cryogénisé » alors qu’il vient de s’éteindre à l’âge de 74 ans. Le monde découvre alors cette méthode de conservation corporelle (nommée cryoconservation).

 

Prenons l’exemple de certains animaux qui, durant la période hivernale, n’hésitent pas à aller au-delà d’une simple hibernation. La rainette crucifère ou la grenouille des bois vont jusqu’à se laisser entièrement congeler. Durant la période où l’animal est congelé, celui-ci est quasiment inerte et son métabolisme est réduit au strict minimum ; seul le cerveau présente encore une activité électrique. C’est précisément cette méthode que les scientifiques utilisent lorsque ceux-ci décident de conserver un organisme par -40°C sans pour autant affecter ses fonctions vitales. Cette méthode est appelée cryogénie (étude et production des basses températures).

 

Les effets du froid :

Nous savons que le temps de réaction s’exprime en fonction de la température. En effet, les réactions biochimiques possèdent des températures optimales. Plus la température baisse, plus ces réactions deviennent longues. Dans le cas d’une congélation, la plupart des réactions sont presque totalement arrêtées.

 

Le froid diminue l’activité enzymatique qui dégrade habituellement les cellules dites « mortes ». Ainsi, cette perte d’activité empêche la catalyse enzymatique, il n’y aura donc aucune réaction de dégradation. Le phénomène de l’autolyse, donc, du refroidissement du cadavre ne peut pas intervenir.

 

Lorsque nous passons la barre des -45°C, la plupart des réactions enzymatiques sont stoppées ou profondément ralenties car la structure quaternaire des enzymes est modifiée de façon considérable.

 

L’assemblage des ribosomes est alors inhibé, ce qui va nettement diminuer la synthèse des protéines. La fluidité des membranes est réduite et l’ensemble des fonctions membranaires telles que le transport des ions ou des nutriments s’en trouve affecté. Résulte alors de cette réaction la diminution de la formation microbienne. De plus, cet assemblage modifie la conformation des lipides membranaires ainsi que d’autres macromolécules ce qui a des conséquences sur la plupart des processus biologiques.

 

Les bactéries ralentissent de la même façon que les enzymes. De plus, leur multiplication et leur prolifération est arrêtée à partir de -25°C. Ainsi, le processus de la putréfaction n’a pas lieu.

 

Cependant, sans un minimum d’activité cellulaire, les cellules ne peuvent que périr en raison d’un manque d’entretien. Afin de conserver l’intégrité de la cellule, les molécules d'ADN et toutes les autres macromolécules essentielles à la vie continuent donc de s'animer et de supporter une faible activité.

 

Ainsi, en permettant la conservation des cellules, le froid est à la base de la cryogénisation.

 

La cryogénisation consiste à congeler dans le but de réveiller les corps dans des dizaines, voire des centaines d'années (lorsque la science en sera capable).

 

Les problèmes lies au refroidissement des cellules :

 

En effet, si le froid permet de conserver parfaitement un organisme, il impose également d’importantes contraintes (notamment aux cellules de cet organisme) :

 

Dans un premier temps, les parois des cellules (ou des organes) se rigidifient, ce qui diminue leur résistance et leur perméabilité.

 

Ensuite, lors d'une congélation lente, le milieu extérieur gèle en même temps que le milieu intracellulaire (voir légèrement avant), ainsi l'eau devient solide et la concentration en ions dans ce qui reste d'eau liquide augmente. Cette augmentation de pression est plus forte à l'extérieur qu'à l'intérieur, on a donc un mouvement d'eau liquide depuis la cellule vers le milieu extérieur. Ainsi la cellule qui n'est pas encore tout à fait congelée perd toute l'eau liquide restante : elle se déshydrate, ce qui lui poserait de sérieux problèmes en cas d’une hypothétique décongélation.

 

Au cours d'un refroidissement lent, les cristaux de glace extracellulaires augmentent de taille. Suite à cette congélation, la membrane devient perméable aux ions (les cellules sont au contact de solutions salines très concentrées).

 

 Finalement, les cellules sont endommagées et écrasées entre des cristaux de

 Cellules endommagées d’un organisme refroidi

 

 

Démarche expérimentale :

 

Ainsi, afin de comprendre concrètement ce phénomène, nous avons décidé de réaliser l’expérience suivante :

 

Nous avons réalisé le schéma suivant :

 

Nous pouvons remarquer qu’en de nombreux endroits, les cellules ont disparues. A la place, nous retrouvons des amas de matière, vraisemblablement des chloroplastes accompagnés de cytoplasme. En effet, lorsque l’eau se congèle, son volume augmente significativement, mais surtout des petits cristaux pointus se forment. La membrane est donc percée par ces cristaux, et la cellule éclate, ce qui explique la disparition de ces dernières.

 

Ce problème est donc grave pour le « cryogénisé » car il peut causer la destruction immédiate de la pluparts de ses cellules.

 

 

 Les solutions pour y remédier :

 

L’utilisation d’agents cryoprotecteurs :

 

Les principales causes de la mort cellulaire étant:

 

Les cryoprotecteurs sont des substances chimiques (voici une liste non- exhaustive de cryoprotectants utilisés aujourd’hui : glycérol, éthylène glycol, propylène glycol, méthanol, isopropanol) très solubles dans l’eau. Ils ont une aptitude à former des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau.

 

Lorsque le refroidissement est lent, l’eau intracellulaire a le temps de sortir de la cellule, d’où une hyper concentration intracellulaire, d’où mort de la cellule.

 

Lorsque la vitesse de refroidissement est élevée, des petits cristaux se forment à l’intérieur des cellules. Ceux-ci, au cours du réchauffement, peuvent se transformer en cristaux de plus grandes tailles, néfastes alors pour la cellule. (Voir schéma)

 

 

Les agents cryoprotecteurs agissent sur les concentrations salines (comme des substances antigel). En abaissant le point de congélation de la solution extracellulaire, ils ralentissent la sortie d’eau intracellulaire évitant ainsi à la cellule d’atteindre son volume minimal critique. En effet, en présence de 1 % de DMSO (cryprotecteur), une solution saline isotonique (9 g/l) atteindra la concentration de 50 g/l de NaCI à la température de - 5°C. En présence de 5 % de DMSO, cette concentration serait obtenue à -20°C, tandis qu'elle ne serait atteinte qu'à -50°C si la concentration de cryoprotecteur était portée à 10 %.

 

En jouant à la fois sur la vitesse de refroidissement et sur l’utilisation des cryoprotecteurs, on a défini une ZONE DE TRANSITION dans laquelle la survie maximale des cellules est observée. Cette zone de transition a été définie en augmentant la concentration d’un agent cryoprotecteur dans une suspension de cellules refroidies à des vitesses différentes. Revenant à la zone de transition, c’est vers des basses vitesses que le taux de survie des cellules est maximum.

 

Effectivement, comme nous avons pu le constater expérimentalement, le principal problème qui survient lors de la congélation est la formation de cristaux de glace qui déchirent les parois cellulaires et provoquent la destruction de la cellule.

 

Nous montrerons les conséquences que porte l’ajout de ces substances antigel sur l’organisme :

 

 

Observons ce phénomène à l’échelle moléculaire :

 

 

 

Lorsque les molécules d’eau vont commencer à s’organiser en cristaux

 

 

L’ajout de ces produits chimiques à l’eau va donc empêcher les molécules d’eau de se réunir pour former de la glace.

 

 

 Ainsi, nous avons décidés de tester nous-même l'efficacité d’une de ces substances antigels utilisée. Lors de notre expérience, nous avons utilisé du glycérol car c’est une substance facilement trouvable, notamment en pharmacie sous le nom de glycérine, et parce qu'elle n'est pas toxique à l'inverse de l'éthylène glycol par exemple.

 

Notre expérience fut la suivante :

 

 

 

 

Schéma montrant les cellules d'une feuille de haricot après congélation dans une solution contenant un antigel, observé au microscope optique (grossissement: 800*)

 

On remarque que les cellules sont identiques aux cellules observées sur une feuille de haricot normale (venant d’être cueillie), celles-ci sont donc en parfait état. En empêchant la cristallisation de l'eau, nous avons réussi à conserver des cellules de haricots. Les antigels empêchent donc bien la cristallisation de l’eau. Ici, nous avons opté pour une substance chimique non- toxique, cependant, certains des antigels peuvent être nocifs pour l’organisme.

 

La vitrification :

 

Heureusement, au cours des dernières années, une autre technique a été développée : la vitrification. Elle consiste à refroidir un corps de façon très rapide; l'eau devient alors solide, sous forme de glace, mais les cristaux de glaces ne se forment pas car les molécules d'eau ne s'organisent pas de la même façon qu'au cours d'une congélation classique.

 

Néanmoins, l'usage d'antigel est, dans tous les cas, obligatoire. Effectivement, la vitrification ne peut pas se produire sur l'eau de l'organisme entier. Cette technique permet tout de même de réduire la concentration en cryoprotectants dans le corps, et ainsi diminuer le risque dû à la toxicité de ces substances.

 

Nous décrirons les différentes étapes de ce procédé :

 

Observons le phénomène à l’échelle moléculaire :

 

Dans le processus de vitrification, les cryoprotectants sont ajoutés aux cellules auparavant pour permettre le refroidissement. Pour l’instant l’organisme est encore chaud.

 

En effet, au lieu d’être congelées, les molécules se déplacent juste de plus en plus lentement étant seulement refroidies.

 

Molécules d’un organisme refroidi possédant un antigel

 

Finalement, ayant atteint une température inférieure à -100 ° C, les molécules ne se déplacent plus et un solide se forme. On dit que l'eau, qui devient solide

 

On remarque ici que les cellules ne se sont pas dégradées au cours du refroidissement car aucune glace n’a pu se former. Finalement les cellules

 

Cellules vitrifiées d’un organisme

 

En effet, sur ces images, nous voyons bien, du fait que les cellules (à droite) ont été vitrifiées et non congelées, que les tissus n'ont subis aucun dommage contrairement aux tissus congelés (à gauche). La vitrification et les cryoprotectants permettent donc de remplacer l'eau du corps sans cristallisation et ainsi éviter les dégâts créés par la congélation.

 

Photos de tissus congelés et de tissus vitrifiés

 

 

Les contraintes d’une cryogénisation :

 

Le problème des cristaux peut être résolu mais les scientifiques doivent faire face à d’autres contraintes au cours d’une cryogénisation :

 

En effet, la cryogénisation est effectuée sur des patients morts quelques instants auparavant afin de garder intactes le plus de cellules possible. Cela signifie que les patients doivent être à disponibilité presque immédiate des médecins. Il est, de fait, préférable de refroidir le corps jusqu’à 0°C directement après la mort, tout en effectuant des compressions thoraciques répétées, pour permettre au sang d’atteindre le plus de parties du corps que possible. Cela permet également d’éviter la formation de caillot sanguins et de conserver le maximum de cellules (en compensant le travail que le cœur du patient n’est désormais plus apte à fournir). Ce n’est pas tout. L’ajout d’une solution d’antigel n’est pas si simple. En effet, les chirurgiens doivent parfois faire plusieurs perfusions en des endroits différents afin d’être assuré que les cryoprotectants atteindront même les parties du corps les plus éloignées.

 

L’opération de cryogénisation se déroule généralement de la façon suivante :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ils y resteront jusqu'à ce que les progrès scientifiques soient assez avancés pour permettre leur réveil.

 

Le but des médecins, en intervenants juste après la mort du patient décédé, est de bloquer toutes les étapes du processus lié à la thanatomorphose.

Médecin américain James Bedford (premier Homme à avoir opté pour la cryoconservation).

Grenouille congelée

 

Graphique indiquant le pourcentage d’activité d’un être vivant en fonction de sa température

Cellule d’un organisme encore chaud

Cellule d’un organisme refroidi ( température inférieur à zéro degrés )

Cellules endommagées d’un organisme refroidi

Schéma montrant les cellules d'une feuille de haricot après congélation, observées au microscope optique (grossissement : 800*)

Schéma décrivant les effets de la vitesse de refroidissement sur la cristallisation intra et extra cellulaire

Organisme à température encore habituelle ( environ 37°C )

Les molécules cryoprotectantes vont s'intercaler entre les molécules d'eau, les empêchant de se relier.

Structure quaternaire de l'hémoglobine (protéine) humaine

Molécules d’un organisme possédant un antigel

Molécules d’un organisme refroidi
possédant un antigel

Molécules d’un organisme refroidi à -100°C

Cellules vitrifiées d'un organisme

Photos de tissus congelés et de tissus vitrifiés