Nakon perfuzije s krioprotektivnim sredstvom, pacijent se ne stavlja jednostavno u tekući dušik.
Pacijent prati računalno kontroliran program hlađenja koji traje nekoliko dana. Senzori unutar pacijenta pokazuju jesu li različita anatomska područja hlađena zajedno ili se razdvajaju u opasne termičke gradijente.
Inženjerski problem mijenja se tijekom spuštanja temperature. Rano hlađenje trebalo bi ograničiti stvaranje leda. U blizini i ispod prijelazne temperature stakla, preciznost i termička uniformnost postaju važnije od brzine.
Zašto je potrebno kontrolirano hlađenje
Krioprotektivna sredstva smanjuju brzinu hlađenja potrebnu za izbjegavanje leda. Omogućuju vodom bogatom tkivu da uđe u visoko viskoznu, staklastu fazu umjesto da kristalizira u većoj mjeri.
Relevantna temperatura prijelaza u staklastu fazu, označena kao Tg, ovisi o otopini, njenoj koncentraciji i metodi mjerenja. To je raspon, a ne jedan univerzalni biološki prag.
Za otopine relevantne za ljudsku krioprezervaciju, ovo područje obično je blizu -120°C do -135°C.
Iznad tog područja, prebrzo hlađenje može omogućiti nukleaciju i rast leda. Ispod njega, materijal se ponaša sve više kao krhka čvrsta tvar.
Ako površina hladi mnogo brže od centra, različita područja se skupljaju u različitim iznosima. Rezultirajući termomehanički stres može proizvesti pukotine.
Ovo stvara ograničen put: dovoljno brzo hlađenje prije vitrifikacije, zatim kontrola gradijenata i brzine hlađenja kako pacijent postaje staklast.
Vidjetirazliku između smrzavanja i vitrifikacije za osnovno ponašanje faza.
Prva generacija kutije za hlađenje
Prva generacija sustava Tomorrow.bio, nazvana V1 kutija za hlađenje, uspostavila je osnovnu arhitekturu za kontrolirano hlađenje cijelog tijela.
Pacijent se stavlja unutar namjenske izolirane komore. Računalo kontrolira kriogenu okolinu komore dok termoparovi mjere temperature na više mjesta.
Kontroler prati programiranu krivulju umjesto da kontinuirano primjenjuje maksimalno hlađenje. Svaki kanal senzora bilježi se kao dio pacijentove termalne povijesti.
Ovo je već fundamentalno različito od izravnog uranjanja. Stroj može usporiti, zadržati ili promijeniti uvjete komore kao odgovor na ono što se događa s pacijentom.
Drugi generacijski sustav temeljen na dewaru
Dizajn druge generacije Tomorrow.bio premješta kontrolirano hlađenje u posebno izrađenu dewar posudu.
Pacijent ostaje unutar dewar posude dok specijalizirana poklopac integrira hardver za hlađenje, računalne kontrole, ventile, priključke senzora i prolaze termoparova.
Termoparovi su postavljeni na nekoliko mjesta unutar pacijenta. Dodatni senzori nadgledaju toplinsko okruženje unutar dewar posude.
Sustav stoga vidi više od zadanog setpointa. On prati koliko brzo različite izmjerene regije pacijenta reagiraju.
Računalo podešava temperaturni gradijent dewar posude i brzinu spuštanja kako bi te vrijednosti održalo unutar dozvoljenog okvira protokola.
Veliko tijelo ne može biti savršeno izotermno tijekom hlađenja. Praktični cilj je smanjiti raspon i spriječiti da bilo koja izmjerena regija prebrzo napreduje ili zaostaje.
Geometrija dewar posude također smanjuje manipulaciju između kontroliranog hlađenja i kriogene pohrane. Ista zatvorena forma može pružiti stabilno, simetrično okruženje oko pacijenta.
Temperatura setpointa nije temperatura pacijenta
Regulator može brzo učiniti okruženje hladnim. Ne može trenutno učiniti da temperatura središta ljudskog tijela odgovara toj vrijednosti.
Toplina mora putovati od dubljeg tkiva prema površini. Geometrija, sastav tijela, raspodjela krioprotektanta i položaj senzora utječu na opaženo zakašnjenje.
Upravo zato jedan senzor u komori nije dovoljan. Okruženje nominalnog -130°C ne dokazuje da je svaki izmjereni dio pacijenta dosegnuo -130°C.
Sustav kontrole mora uzeti u obzir i apsolutnu temperaturu i razliku između kanala. Najsporija točka, najbrža točka i ukupan raspon nose svaki svoju informaciju.
Kalibracija, postavljanje i kontinuitet termoparova također su važni. Nevjerojatna očitanja ili kvarovi senzora trebaju biti označeni umjesto da se tiho uprosječe u krivulju.
Temperaturni program Tomorrow.bio u tri faze
Trenutni protokol ima tri jasne faze. Vrijednosti su operativni ciljevi za ovaj uređaj i pristup krioprotekciji, a ne univerzalne konstante za svaki sustav vitrifikacije.
1. Brzo spuštanje prema -130°C
Prva faza pomiče pacijenta s temperature suhog leda prema približno -130°C što je brže moguće, uz sigurno dozvoljen raspon izmjerenih temperatura.
Brzina je ovdje važna jer nezaštićene regije još uvijek mogu formirati led prije nego što tkivo postane staklasto.
Računalo ne prati samo proteklo vrijeme. Ono nadgleda termoparove i podešava okruženje za hlađenje oko pacijenta.
2. Omogućiti kontrolirano odskakanje prema -120°C
Nakon što se dosegne približno -130°C, aktivno hlađenje se smanjuje, a pacijent se ostavlja da se prirodno zagrije do približno -120°C.
Ovo je faza žarenja. Blizu Tg, krioprotektivni materijal zadržava dovoljno molekularne pokretljivosti da se dio nakupljenog mehaničkog naprezanja može opustiti.
Ovo vraćanje također omogućuje toplijim i hladnijim područjima da se približe jedno drugom prije nego što se materijal uvede u svoje kruto staklasto stanje.
Žarenje ne uklanja prethodno postojeća biološka oštećenja. Njegova je svrha uže: smanjiti toplinske gradijente i naprezanja stvorena nejednakom kontrakcijom.
3. Spustite se na -196°C pri približno 1°C po satu
Od otprilike -120°C, ciljani spust je približno 1°C po satu sve dok pacijent ne dosegne temperaturu tekućeg dušika.
Zadnji interval od 76 stupnjeva traje otprilike tri dana čak i prije nego što se uzmu u obzir zadržavanja i podešavanja kontrole.
Održavanje 1°C po satu u velikom, toplinski heterogenom tijelu predstavlja problem kontrole, a ne samo podešavanje vremenskog brojača.
Regulator mora stalno podešavati okruženje dewara tako da unutarnje termoparovi padaju zajedno bez stvaranja prekomjernih gradijenata.
Kada jedno područje zaostaje, prisiljavanje okruženja da bude hladnije može prehladiti drugo područje. Preciznost znači uravnotežiti cijelo područje senzora, a ne goniti samo jedno očitanje.
Zašto je faza žarenja znanstveno vjerojatna
Istraživanja velikih vitrifikacija identificiraju dvije konkurentske zone neuspjeha: nedovoljno hlađenje iznad Tg i prekomjerno mehaničko naprezanje oko i ispod Tg.
Istraživanje2024 studija vitrifikacije ljudskih organa na velikoj skali koristilo je više unutarnjih sondi i zaključilo da žarenje smanjuje gradijente prije nego što materijal uđe u staklasto stanje.
Ista studija je utvrdila da sporo hlađenje ispod područja žarenja pomaže u izbjegavanju ponovnog stvaranja velikih gradijenata i naprezanja.
Zasebna istraživanjatermomehanička istraživanja utvrdila su da žarenje blizu Tg značajno mijenja preostalo naprezanje i slabi njegovu ovisnost o prethodnoj brzini hlađenja.
Ova istraživanja podržavaju osnovnu strategiju kontrole. Oni ne neovisno potvrđuju svaku točnu vrijednost u protokolu cijelog tijela Tomorrow.bio.
Cjelovita ljudska tijela su veća i heterogenija od laboratorijskih otopina ili organa. Direktni zapisi temperature i snimanje nakon hlađenja ostaju nužni.
Što računalo bilježi
Korisni rezultat nije poruka koja kaže 'hlađenje završeno'. To je potpuni vremenski niz iz svakog temperaturnog kanala.
Zapis bi trebao prikazivati brzine, zadrške, odskoke, gradijente između senzora, radnje regulatora, alarme i bilo koje odstupanje od planirane krivulje.
Ti podaci postaju dioprocjene kvalitete krioprezervacije.
Nakon hlađenja, standardizirana CT na temperaturi tekućeg dušika može otkriti raspodjelu kriozaštitne tvari, led, grube deformacije i pukotine koje sami temperaturni podaci ne mogu otkriti.
Zašto završiti na temperaturi tekućeg dušika
Pri normalnom atmosferskom tlaku, dušik ključa blizu 77.34 kelvina, što je približno -195.8°C, premaNIST Chemistry WebBook.
Skladištenje tekućim dušikom je pasivno. Dok u spremniku ima dovoljno tekućine, njegovo ključanje održava stabilno kriogeno okruženje bez mehaničkog hlađenja.
Kontrolirani silazak završava tek kada je pacijent toplinski spreman za to stabilno stanje. Skladištenje se ne koristi kao zamjena za hlađenje.
Dizajn i kompromisi sljedeće faze obrađeni su usuvremenim kriogenim dewarima i skladištenju pri međutemperaturama.
Ukratko: Tomorrow.bio koristi računalno kontrolirano hlađenje i unutarnje temperaturno senzore. Proces brzo hladi blizu formiranja stakla, ublažava toplinski stres, zatim polako silazi prema -196°C.
Istražite ovaj praktični alat
Upotrijebite interaktivni alat za istraživanje pitanja u ovom članku.
Učitavanje interaktivnog alata...
Daljnje čitanje