Po krioprotektorių perfuzijos pacientas nėra tiesiog panardinamas į skystą azotą.
Pacientui taikoma kompiuterio valdoma temperatūros programa, trunkanti kelias paras. Kūno viduje esantys jutikliai rodo, ar skirtingos anatominės sritys vėsta kartu, ar tarp jų susidaro pavojingi temperatūros skirtumai.
Leidžiantis žemyn keičiasi ir inžinerinis uždavinys. Pradiniame etape aušinimas turi riboti ledo susidarymą. Ties stiklėjimo riba ir žemiau jos tikslumas bei vienodas temperatūros pasiskirstymas tampa svarbesni už greitį.
Kodėl reikalingas valdomas aušinimas
Krioprotektoriai sumažina aušinimo greitį, kurio reikia ledui išvengti. Jie leidžia vandeningam audiniui pereiti į labai klampią, į stiklą panašią būseną, užuot plačiai kristalizavusis.
Aktuali stiklėjimo temperatūra, žymima Tg, priklauso nuo tirpalo, jo koncentracijos ir matavimo metodo. Tai intervalas, o ne viena universali biologinė riba.
Žmogaus krioprezervacijai aktualiems tirpalams šis intervalas paprastai yra apie -120°C iki -135°C.
Virš šio intervalo per lėtas aušinimas gali leisti ledui užsimegzti ir augti. Žemiau jo medžiaga vis labiau elgiasi kaip trapi kietoji kūnas.
Jei paviršius vėsta daug greičiau nei gilumos, skirtingos sritys traukiasi nevienodai. Dėl to kylantys termomechaniniai įtempiai gali sukelti įtrūkius.
Taip susidaro siauras kelias: prieš vitrifikaciją aušinti pakankamai greitai, o pacientui tampant stiklo pavidalo, valdyti temperatūros skirtumus ir aušinimo greitį.
Apie pačius fazinius virsmus skaitykite kuo skiriasi užšaldymas ir vitrifikacija.
Pirmosios kartos aušinimo dėžė
Pirmosios kartos sistema, kurią Tomorrow.bio vadina V1 aušinimo dėže, nustatė pagrindinę viso kūno valdomo aušinimo architektūrą.
Pacientas paguldomas į specialią izoliuotą kamerą. Kompiuteris valdo kameros kriogeninę aplinką, o termoelementai matuoja temperatūrą keliose vietose.
Valdiklis seka užprogramuotą kreivę, o ne nuolat aušina didžiausiu pajėgumu. Kiekvieno jutiklio kanalo duomenys įrašomi į paciento šiluminę istoriją.
Tai jau iš esmės skiriasi nuo tiesioginio panardinimo. Įranga gali sulėtinti aušinimą, jį stabdyti arba keisti kameros sąlygas pagal tai, kas iš tikrųjų vyksta su pacientu.
Antrosios kartos sistema su djuaru
Antrosios kartos konstrukcijoje Tomorrow.bio perkelia valdomą aušinimą į specialiai sukurtą djuarą.
Pacientas lieka djuare, o specialiame dangtyje sumontuota aušinimo įranga: kompiuterinis valdymas, vožtuvai, jutiklių jungtys ir termoelementų įvadai.
Termoelementai išdėstomi keliose vietose paciento kūno viduje. Papildomi jutikliai stebi šiluminę aplinką djuaro viduje.
Todėl sistema mato daugiau nei užduotą temperatūrą. Ji mato, kaip greitai reaguoja skirtingos matuojamos paciento sritys.
Kompiuteris koreguoja djuaro temperatūros gradientą ir aušinimo tempą, kad tie rodmenys neperžengtų protokole leidžiamų ribų.
Aušinamas didelis kūnas negali būti visiškai vienodos temperatūros. Praktinis tikslas yra kuo labiau sumažinti skirtumų sklaidą ir neleisti nė vienai matuojamai sričiai pavojingai atsilikti ar nubėgti į priekį.
Djuaro forma taip pat sumažina paciento perkėlimų skaičių tarp valdomo aušinimo ir kriogeninio saugojimo. Ta pati uždara erdvė gali suteikti stabilią ir simetrišką aplinką aplink pacientą.
Užduota temperatūra nėra paciento temperatūra
Valdiklis gali greitai atšaldyti aplinką. Bet jis negali akimirksniu prilyginti žmogaus kūno gelmių temperatūros tai aplinkai.
Šiluma turi nukeliauti iš gilesnių audinių link paviršiaus. Vėlavimo dydį lemia kūno geometrija ir sudėtis, krioprotektoriaus pasiskirstymas ir jutiklių padėtis.
Todėl vieno kameros jutiklio nepakanka. Nominali -130°C aplinka neįrodo, kad kiekviena matuojama paciento dalis pasiekė -130°C.
Valdymo sistema turi vertinti ir absoliučią temperatūrą, ir skirtumus tarp kanalų. Lėčiausias taškas, greičiausias taškas ir bendra sklaida kiekvienas neša savo informaciją.
Svarbu ir termoelementų kalibravimas, jų padėtis bei grandinės vientisumas. Neįtikimi rodmenys ar jutiklių gedimai turi būti pažymimi, o ne tyliai suvidurkinami į kreivę.
Trijų pakopų temperatūros programa, kurią taiko Tomorrow.bio
Dabartinį protokolą sudaro trys atskiros fazės. Nurodytos reikšmės yra šios įrangos ir šio krioprotekcijos metodo darbiniai tikslai, o ne universalios konstantos visoms vitrifikacijos sistemoms.
1. Sparčiai leistis link -130°C
Pirmoje fazėje pacientas nuo sausojo ledo temperatūros atvedamas maždaug iki -130°C tokiu greičiu, kokį saugiai leidžia išmatuota temperatūrų sklaida.
Greitis čia svarbus, nes nepakankamai apsaugotose srityse ledas dar gali susidaryti, kol audinys netapo stiklo pavidalo.
Kompiuteris vadovaujasi ne vien praėjusiu laiku. Jis stebi termoelementus ir atitinkamai keičia aušinimo aplinką aplink pacientą.
2. Leisti temperatūrai valdomai grįžti link -120°C
Pasiekus maždaug -130°C, aktyvus aušinimas sumažinamas ir pacientui leidžiama natūraliai sušilti maždaug iki -120°C.
Tai atkaitinimo fazė. Ties Tg krioprotektoriais prisotinta medžiaga dar išlaiko tiek molekulinio judrumo, kad dalis susikaupusių mechaninių įtempių gali atsipalaiduoti.
Šis grįžimas taip pat duoda laiko šiltesnėms ir šaltesnėms sritims priartėti viena prie kitos, kol medžiaga dar nenugramzdinta į kietą stiklo būseną.
Atkaitinimas nepanaikina anksčiau padarytos biologinės žalos. Jo paskirtis siauresnė: sumažinti temperatūros skirtumus ir nevienodo traukimosi keliamus įtempius.
3. Leistis iki -196°C maždaug po 1°C per valandą
Nuo maždaug -120°C siekiama leistis maždaug po 1°C per valandą, kol pacientas pasiekia skysto azoto temperatūrą.
Šiam paskutiniam 76 laipsnių tarpui įveikti prireikia maždaug trejų parų, dar neįskaičiavus stabdymų ir valdymo korekcijų.
Išlaikyti 1°C per valandą dideliame, šiluminiu požiūriu nevienalyčiame kūne yra valdymo uždavinys, o ne vien laikmačio nustatymas.
Valdiklis turi nuolat koreguoti aplinką djuare, kad vidiniai termoelementai leistųsi kartu ir nesusidarytų per dideli skirtumai.
Kai viena sritis atsilieka, aplinkos šaldymas žemiau gali per stipriai atvėsinti kitą sritį. Tikslumas reiškia viso jutiklių lauko derinimą, o ne vieno rodmens vaikymąsi.
Kodėl atkaitinimo fazė yra moksliškai pagrįsta
Didelio mastelio vitrifikacijos tyrimai išskiria dvi tarpusavyje konkuruojančias nesėkmės zonas: nepakankamą aušinimą virš Tg ir per didelius mechaninius įtempius ties Tg bei žemiau jos.
Viename 2024 m. tyrime, kuriame vitrifikuoti žmogaus organo dydžio objektai, naudoti keli vidiniai zondai ir padaryta išvada, kad atkaitinimas sumažina temperatūros skirtumus prieš medžiagai pereinant į stiklo fazę.
Tas pats tyrimas parodė, kad lėtas aušinimas žemiau atkaitinimo srities padeda išvengti pakartotinio didelių skirtumų ir įtempių susidarymo.
Atskiruose termomechaniniuose tyrimuose nustatyta, kad atkaitinimas ties Tg iš esmės pakeičia liekamuosius įtempius ir susilpnina jų priklausomybę nuo ankstesnio aušinimo greičio.
Šie tyrimai patvirtina pačią valdymo strategiją. Jie savaime nepatvirtina kiekvienos tikslios reikšmės, naudojamos viso kūno protokole, kurį taiko Tomorrow.bio.
Ištisi žmogaus kūnai yra didesni ir nevienalytiškesni už laboratorinius tirpalus ar atskirus organus. Todėl tiesioginiai temperatūros įrašai ir vaizdiniai tyrimai po aušinimo išlieka būtini.
Ką užrašo kompiuteris
Naudingas rezultatas yra ne pranešimas „aušinimas baigtas“. Tai ištisinė laiko eilutė iš kiekvieno temperatūros kanalo.
Įraše turi matytis tempai, sustojimai, temperatūros sugrįžimai, skirtumai tarp jutiklių, valdiklio veiksmai, pavojaus signalai ir bet koks nuokrypis nuo suplanuotos kreivės.
Šie duomenys tampa krioprezervacijos kokybės vertinimo dalimi.
Po aušinimo standartizuota kompiuterinė tomografija skysto azoto temperatūroje leidžia įvertinti krioprotektoriaus pasiskirstymą, ledą, stambias deformacijas ir įtrūkius, kurių vien temperatūros duomenys neatskleidžia.
Kodėl baigiama ties skysto azoto temperatūra
Esant įprastam atmosferos slėgiui, azotas verda ties maždaug 77.34 kelvino, tai yra apie -195.8°C, kaip nurodo NIST Chemistry WebBook.
Saugojimas skystame azote yra pasyvus. Kol inde lieka pakankamai skysčio, jo virimo pusiausvyra palaiko stabilią kriogeninę aplinką be mechaninio šaldymo.
Valdomas leidimasis baigiamas tik tada, kai pacientas šiluminiu požiūriu parengtas tai stabiliai būsenai. Saugojimas nenaudojamas kaip aušinimo pakaitalas.
Kito etapo konstrukcija ir kompromisai aprašyti straipsnyje šiuolaikiniai kriogeniniai djuarai ir saugojimas tarpinėje temperatūroje.
Trumpai: Tomorrow.bio taiko kompiuterio valdomą aušinimą ir vidinius temperatūros jutiklius. Procesas sparčiai aušina ties stiklėjimo riba, atpalaiduoja šiluminius įtempius, o paskui lėtai leidžiasi link -196°C.
Išbandykite šią praktinę priemonę
Naudokite interaktyvią priemonę, kad išnagrinėtumėte šiame straipsnyje keliamą klausimą.
Įkeliamas interaktyvus įrankis...
Daugiau skaitinių