Accessible and low-cost cryopreservation methods for aquatic species' gametes

Abstract

O declínio global das populações aquáticas, impulsionado pela degradação do habitat, mudanças climáticas e doenças, destaca a necessidade urgente de estratégias inovadoras e acessíveis para a conservação. A criopreservação de material genético—incluindo espermatozoides, oócitos e tecidos gonadais—surgiu como uma ferramenta poderosa para preservar a diversidade genética e restaurar espécies ameaçadas. No entanto, os métodos tradicionais de criopreservação frequentemente dependem de equipamentos caros e materiais não biodegradáveis, limitando sua acessibilidade, especialmente em regiões com poucos recursos. Esta tese explora o uso de cápsulas biodegradáveis e dispositivos impressos em 3D como alternativas sustentáveis e de baixo custo para a criopreservação de material genético de espécies aquáticas. O Capítulo II compara cápsulas biodegradáveis (gelatina e hipromelose) com criotubos tradicionais na vitrificação de tecidos gonadais de Danio rerio (zebrafish), mostrando que as cápsulas de gelatina apresentam resultados comparáveis aos criotubos na preservação da viabilidade celular e da atividade mitocondrial, além de possuírem propriedades antioxidantes que podem ajudar a reduzir o estresse oxidativo durante a criopreservação. O Capítulo III avalia o uso de cápsulas de gelatina na vitrificação de tecido ovariano post-mortem da espécie de peixe ameaçada Brycon orbignyanus, demonstrando que essas cápsulas apresentam desempenho semelhante aos crioviais em termos de viabilidade dos oócitos e atividade mitocondrial, tornando-se uma solução viável para a preservação genética emergencial. O Capítulo IV foca na criopreservação de espermatozoides de Xenopus laevis, comparando um dispositivo impresso em 3D (CryoKit) e cápsulas de gelatina com métodos convencionais, onde os resultados indicam que o CryoKit proporciona taxas de resfriamento controladas e mantém a viabilidade espermática em níveis comparáveis aos de congeladores tradicionais, enquanto as cápsulas de gelatina representam uma opção promissora e de baixo custo para o armazenamento de esperma. Coletivamente, esses estudos demonstram que dispositivos impressos em 3D e cápsulas biodegradáveis podem servir como alternativas eficazes, sustentáveis e econômicas aos métodos tradicionais de criopreservação. Ao integrar tecnologias de código aberto e materiais ecológicos de baixo custo, esta pesquisa contribui para a democratização da criopreservação, tornando-a uma ferramenta viável para a conservação da diversidade genética em regiões com recursos limitados. Esses achados ressaltam o potencial dessas inovações para fortalecer os esforços globais de conservação, oferecendo soluções práticas para a preservação de espécies aquáticas.

The global decline of aquatic populations, driven by habitat degradation, climate change, and disease, highlights the urgent need for innovative and accessible conservation strategies. Cryopreservation of genetic material—including sperm, oocytes, and gonadal tissues—has emerged as a powerful tool for preserving genetic diversity and restoring endangered species. However, traditional cryopreservation methods often depend on expensive equipment and non-biodegradable materials, limiting their accessibility, particularly in low-resource settings. This thesis explores the use of biodegradable capsules and 3D-printed devices as sustainable, low-cost alternatives for the cryopreservation of genetic material from aquatic species. Chapter II compares biodegradable capsules (gelatin and hypromellose) with traditional cryotubes for the vitrification of zebrafish (Danio rerio) gonadal tissues, showing that gelatin capsules yield results comparable to cryotubes in preserving cell viability and mitochondrial activity while also exhibiting antioxidant properties that may help reduce oxidative stress during cryopreservation. Chapter III evaluates the use of gelatin capsules for the vitrification of post-mortem ovarian tissue from the endangered fish species Brycon orbignyanus, demonstrating that gelatin capsules perform similarly to cryovials in terms of oocyte viability and mitochondrial activity, making them a viable solution for emergency genetic preservation. Chapter IV focuses on the cryopreservation of Xenopus laevis sperm, comparing a 3D-printed device (CryoKit) and gelatin capsules with conventional methods, where results indicate that the CryoKit provides controlled cooling rates and maintains sperm viability at levels comparable to traditional freezers, while gelatin capsules present a promising, low-cost option for sperm storage. Collectively, these studies demonstrate that 3D-printed devices and biodegradable capsules can serve as effective, sustainable, and costefficient alternatives to traditional cryopreservation methods. By integrating opensource technologies, low-cost and eco-friendly materials, this research contributes to the democratization of cryopreservation, making it a viable tool for conserving genetic diversity in resource-limited regions. These findings underscore the potential of these innovations to enhance global conservation efforts, offering practical solutions for the preservation of aquatic species.