Retrospective Analysis of Cryopreserved Samples

Abstract

The aim of cryopreservation is to arrest physiologic structure, information and function by lowering the temperature. It is commonly believed that a reduction of temperature significantly halt or decelerate any detrimental process at storage temperature. Yet little is known about the interference of the remaining slow processes in the sample on the biological material at low temperatures. Furthermore, there is a lack of methods to observe such processes at low temperatures and detect them retrospectively. In this work, different optical microscopy methods was adapted to samples at temperatures down to 180 °C, evaluated and utilized for the study of such slow processes and their relation to the conservation conditions. For some of these, namely devitrification and eutectic crystallization, chemical markers were identified by Raman spectroscopy. Other slow processes like recrystallization were investigated using fluorescence microcopy. These results may be the first steps into solid sample characterization for retrospective sample history analysis. Using the insights of these investigations, several innovations for real life biobanking were derived, such as fiber-based quality assessment of stored cryopreserved samples, time-temperature-indicators using recrystallization kinetics and a prediction tool for medium stability against devitrification by means of calorimetry.

Das Ziel der Kryokonservierung ist es, physiologische Strukturen, Information und Funktionen durch Temperaturerniedrigung zu erhalten. Es wird allgemein angenommen, dass eine Verringerung der Temperatur jegliche zersetzende Prozesse nahezu unendlich verlangsamt. Dabei ist noch wenig über die Wechselwirkung der verbleibenden langsamen Prozesse in den Proben auf das biologische Material bei niedrigen Temperaturen bekannt. Darüber hinaus fehlen Methoden um solche Prozesse bei niedrigen Temperaturen zu beobachten und rückblickend nachzuweisen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden der optischen Mikroskopie an Probentemperaturen bis 180 °C angepasst, evaluiert und für die Untersuchung solch langsamer Prozesse und deren Beziehung zu den Konservierungsbedingungen angewandt. Für manche dieser Prozesse, Devitrifikation und eutektische Kristallisation, wurden chemische Marker mittels Raman-Spektroskopie identifiziert. Andere langsame Prozesse wie Rekristallisation wurden mittels Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht. Diese Ergebnisse eröffnen den Zugang zur Charakterisierung von festen Proben zur retrospektiven Analyse der Probenhistorie. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden mehrere Innovationen für den praktischen Einsatz in Biobanken abgeleitet, unter anderem faserbasierte Qualitätskontrolle von kryokonservierten Proben während der Lagerung, Zeit-Temperatur-Indikatoren basierend auf Rekristallisations-Kinetik und eine Vorhersagemethode für die Stabilität des Mediums gegen Devitrifikation mittels Kalorimetrie.