Po kryoprotektívnej perfúzii sa pacient neumiestňuje jednoducho do kvapalného dusíka.
Pacient sleduje počítačom riadený teplotný program trvajúci niekoľko dní. Snímače vnútri pacienta ukazujú, či sa rôzne anatomické oblasti ochladzujú spoločne alebo sa rozdeľujú do nebezpečných tepelných gradientov.
Inžiniersky problém sa počas zostupu mení. Včasné ochladzovanie by malo obmedziť tvorbu ľadu. V blízkosti a pod sklovitým prechodom sa stáva presnosť a tepelná uniformita dôležitejšou ako rýchlosť.
Prečo je potrebné riadené ochladzovanie
Kryoprotektívne látky znižujú rýchlosť ochladzovania potrebnú na zabránenie tvorby ľadu. Umožňujú vodou bohatým tkanivám vstúpiť do vysoko viskózneho, sklovitého stavu namiesto rozsiahlej kryštalizácie.
Relevantná teplota sklovitého prechodu, označovaná ako Tg, závisí od roztoku, jeho koncentrácie a metódy merania. Je to rozsah, nie jeden univerzálny biologický prah.
Pre roztoky relevantné pre ľudskú kryoprezerváciu sa táto oblasť bežne nachádza okolo -120°C až -135°C.
Nad touto oblasťou môže príliš pomalé ochladzovanie umožniť nukleáciu a rast ľadu. Pod ňou sa materiál správa stále viac ako krehká pevná látka.
Ak sa povrch ochladzuje oveľa rýchlejšie ako stred, rôzne oblasti sa zmenšujú o rôzne množstvá. Vzniknuté termomechanické napätie môže spôsobiť praskliny.
To vytvára obmedzenú cestu: ochladzujte dostatočne rýchlo pred vitrifikáciou, potom riadte gradienty a rýchlosť ochladzovania, ako sa pacient stáva sklovitým.
Pozrite sana rozdiel medzi mrazením a vitrifikáciou pre podkladové fázové správanie.
Prvá generácia chladiaceho boxu
Prvý systém prvej generácie Tomorrow.bio, nazývaný chladiaci box V1, stanovil základnú architektúru pre riadené ochladzovanie celého tela.
Pacient sa umiestni do špecializovanej izolovanej komory. Počítač riadi kryogénne prostredie komory, kým termočlánky merajú teploty na viacerých miestach.
Regulátor sleduje naprogramovanú krivku namiesto nepretržitého aplikovania maximálneho ochladzovania. Každý kanál snímača sa zaznamenáva ako súčasť tepelnej histórie pacienta.
To je už principiálne odlišné od priameho ponorenia. Stroj môže spomaliť, udržať alebo zmeniť podmienky komory v reakcii na to, čo sa deje s pacientom.
Druhý systém založený na deware
Druhý generačný návrh Tomorrow.bio presúva riadené ochladzovanie do špeciálne navrhnutej Dewarovej nádoby.
Pacient zostáva vnútri Dewarovej nádoby, pričom špeciálna veko integruje hardvér na ochladzovanie, počítačové riadenie, ventily, pripojenia senzorov a priechodky pre termočlánky.
Termočlánky sú umiestnené na viacerých miestach vnútri pacienta. Ďalšie senzory monitorujú tepelné prostredie vnútri Dewarovej nádoby.
Systém preto sleduje viac ako požadovanú nastavenú hodnotu. Sleduje, ako rýchlo sa rôzne merané oblasti pacienta odozvuju.
Počítač upravuje teplotný gradient a rýchlosť poklesu teploty Dewarovej nádoby, aby udržal tieto hodnoty v rámci povoleného rozsahu protokolu.
Veľké telo nemôže byť počas ochladzovania dokonale izotermické. Praktickým cielom je minimalizovať rozptyl a zabrániť tomu, aby ktorákolvek meraná oblasť nebežala nebezpečne vpred alebo zaostávala.
Geometria Dewarovej nádoby tiež znižuje manipuláciu medzi riadeným ochladzovaním a kryogénnym uskladnením. Rovnaký uzavretý tvar môže poskytnúť stabilné, symetrické prostredie okolo pacienta.
Nastavená teplota nie je teplota pacienta
Regulátor môže prostredie ochladiť rýchlo. Nemôže však okamžite zohriať stred ľudského tela na túto teplotu.
Teplo sa musí preniesť z hlbších tkanív smerom k povrchu. Geometria, zloženie tela, distribúcia kryoprotektantu a umiestnenie senzorov ovplyvňujú pozorované oneskorenie.
Práve preto je jeden komorový senzor nedostatočný. Prostredie -130°C nezaručuje, že každá meraná časť pacienta dosiahla -130°C.
Regulačný systém musí zohľadniť nielen absolútnu teplotu, ale aj rozdiel medzi kanálmi. Najpomalší bod, najrýchlejší bod a celkový rozptyl nesú dôležité informácie.
Kalibrácia termočlánkov, ich umiestnenie a kontinuita sú tiež dôležité. Nepravdepodobné hodnoty alebo poruchy senzorov by sa mali označiť ako chybné, namiesto toho, aby sa tiché priemerovali do krivky.
Trojstupňový teplotný program Tomorrow.bio
Súčasný protokol pozostáva z troch odlišných fáz. Hodnoty sú prevádzkové ciele pre toto zariadenie a kryoprotektívny prístup, nie univerzálne konštanty pre každý systém vitrifikácie.
1. Rýchly pokles smerom k -130°C
Prvá fáza presúva pacienta z teploty suchého ľadu smerom k približne -130°C, čo najrýchlejšie to bezpečne umožňuje meraný teplotný rozptyl.
Rýchlosť je tu dôležitá, pretože nechránené oblasti môžu ešte stále vytvárať ľad predtým, než sa tkanivo stane sklovité.
Počítač nereaguje len na uplynutý čas. Monitoruje termočlánky a upravuje chladiace prostredie okolo pacienta.
2. Umožniť riadený nárast smerom k -120°C
Po dosiahnutí približne -130°C sa aktivne chladenie znižuje a pacientovi sa umožňuje prirodzené otepľovanie smerom k približne -120°C.
Toto je fáza žíhania. V blízkosti Tg kryoprotektovaný materiál zachováva dostatočnú molekulárnu pohyblivosť, aby sa mohlo uvoľniť niektoré nahromadené mechanické napätie.
Otepľovací proces tiež dáva teplejším a chladnejším oblastiam čas, aby sa predtým, ako sa materiál dostane do svojho tuhého sklovitého stavu, navzájom priblížili.
Žíhanie neodstraňuje predchádzajúce biologické poškodenie. Jeho účel je užší: znížiť tepelné gradienty a napätie vytvorené nerovnomerným zmršťovaním.
3. Klesnúť na -196°C pri približne 1°C za hodinu
Z približne -120°C je cieľová rýchlosť klesania približne 1°C za hodinu, kým pacient nedosiahne teplotu kvapalného dusíka.
Tento konečný 76-stupňový interval trvá približne tri dni, aj keď sa nezapočítavajú zdržania a úpravy regulácie.
Udržovanie 1°C za hodinu v veľkom, tepelne heterogénnom tele je problém regulácie, nie len nastavenie časovača.
Regulátor musí nepretržite upravovať prostredie Dewarovej nádoby tak, aby vnútorné termočlánky klesali spoločne bez vytvárania nadmerných gradientov.
Keď jedna oblasť zaostáva, nutenie prostredia k chladnejšiemu stavu môže prechladiť inú oblasť. Presnosť znamená vyvažovať celé pole senzorov, nie sledovať iba jedno meranie.
Prečo je fáza žíhania vedecky presvedčivá
Výskum veľkorozmernej vitrifikácie identifikuje dve konkurenčné zóny zlyhania: nedostatočné chladenie nad Tg a nadmerné mechanické napätie okolo a pod Tg.
Výskum2024 štúdia vitrifikácie ľudských orgánov na veľkorozmernej úrovni použil viacero vnútorných sond a dospel k záveru, že žíhanie znižuje gradienty predtým, ako materiál vstúpi do sklovitej fázy.
Tá istá štúdia zistila, že pomalé chladenie pod oblast žíhania pomáha vyhnúť sa opätovnému vytváraniu veľkých gradientov a napätia.
Samostatný výskumtermo-mechanického napätia zistil, že žíhanie v blízkosti Tg výrazne mení zvyškové napätie a znižuje jeho závislosť od predchádzajúcej rýchlosti chladenia.
Tieto štúdie podporujú podkladovú stratégiu regulácie. Nevalidujú nezávisle každú presnú hodnotu v celom protokole Tomorrow.bio pre celotelovú procedúru.
Celkové ľudské telá sú väčšie a heterogénnejšie ako laboratórne roztoky alebo orgány. Priame záznamy teploty a zobrazovanie po ochladení zostávajú nevyhnutné.
To, čo zaznamenáva počítač
Užitočný výstup nie je správa hovoriaca „ochladenie ukončené“. Je to úplná časová séria zo všetkých teplotných kanálov.
Záznam by mal ukazovať rýchlosti, výdrže, oživenia, gradienty medzi senzormi, akcie regulátora, alarmy a akékoľvek odchýlky od plánovanej krivky.
Tieto údaje sa stanú súčasťouhodnotenia kvality kryoprezervácie.
Po ochladení môže štandardizovaná CT pri teplote tekutého dusíka odhaliť distribúciu kryoprotektantu, ľad, hrubé deformácie a trhliny, ktoré samotné teplotné údaje nemôžu odhaliť.
Prečo skončiť pri teplote tekutého dusíka
Pri normálnom atmosférickom tlaku dusík varí pri približne 77.34 kelvinoch, teda približne -195.8°C, podľaNIST Chemistry WebBook.
Skladovanie v tekutom dusíku je pasívne. Pokiaľ je v nádobe dostatočné množstvo tekutiny, jej varné rovnovážne udržuje stabilné kryogénne prostredie bez mechanického chladenia.
Kontrolovaný zostup končí iba vtedy, keď je pacient tepelne pripravený na tento stabilný stav. Skladovanie nie je používané ako náhrada za ochladenie.
Návrh a kompromisy ďalšieho stupňa sú spracované vmoderných kryogénnych Dewarových nádobách a skladovaní pri stredných teplotách.
TL;DR: Tomorrow.bio používa počítačom riadené chladenie a vnútorné teplotné senzory. Proces ochladzuje rýchlo v blízkosti skleného prechodu, uvoľňuje tepelné napätie, následne klesá pomaly smerom k -196°C.
Preskúmajte tento praktický nástroj
Použite interaktívny nástroj na preskúmanie otázky v tomto článku.
Načítanie interaktívneho nástroja...
Ďalšie čítanie