Po kryoprotektivní perfuzi není pacient jednoduše umístěn do kapalného dusíku.
Pacient prochází počítačem řízeným teplotním programem trvajícím několik dní. Senzory umístěné uvnitř pacienta ukazují, zda se různé anatomické oblasti ochlazují společně, nebo zda dochází k nebezpečným teplotním gradientům.
Inženýrský problém se během ochlazování mění. Rané ochlazování by mělo omezit tvorbu ledu. V blízkosti a pod teplotou skelného přechodu se stává přesnost a teplotní uniformita důležitějšími než rychlost.
Proč je nutné řízené ochlazování
Kryoprotektivní látky snižují rychlost ochlazování potřebnou k zabránění tvorby ledu. Umožňují vodou bohaté tkáni vstoupit do vysoce viskózního, sklovitého stavu místo rozsáhlé krystalizace.
Relevantní teplota skelného přechodu, označovaná jako Tg, závisí na roztoku, jeho koncentraci a metodě měření. Nejde o jeden univerzální biologický práh, nýbrž o rozmezí.
Pro roztoky relevantní pro lidskou kryoprezervaci se tato oblast běžně pohybuje kolem -120°C až -135°C.
Nad touto oblastí může příliš pomalé ochlazování umožnit nukleaci a růst ledu. Pod ní se materiál chová stále více jako křehká pevná látka.
Pokud se povrch ochlazuje mnohem rychleji než střed, různé oblasti se smršťují různou měrou. Výsledné termomechanické napětí může způsobit praskliny.
To vytváří omezenou cestu: ochlazovat dostatečně rychle před vitrifikací, poté řídit gradienty a rychlost ochlazování, jakmile se pacient stává sklovitým.
Vizrozdíl mezi zmrazením a vitrifikací pro pochopení základního fázového chování.
První generace chladicí komory
První generace systému společnosti Tomorrow.bio, nazývaná chladicí komora V1, stanovila základní architekturu pro řízené ochlazování celého těla.
Pacient je umístěn do specializované izolované komory. Počítač řídí kryogenní prostředí komory, přičemž termočlánky měří teploty na více místech.
Regulátor sleduje naprogramovanou křivku místo nepřetržitého aplikování maximálního ochlazování. Každý kanál senzoru je zaznamenán jako součást tepelné historie pacienta.
To je již zásadně odlišné od přímého ponoření. Stroj může zpomalit, udržet nebo změnit podmínky komory v reakci na skutečný stav pacienta.
Druhá generace systému založeného na Dewarově nádobě
Druhý generačný design společnosti Tomorrow.bio přesouvá řízené ochlazování do speciálně navrženého Dewaru.
Pacient zůstává uvnitř Dewaru, přičemž speciální víko integruje hardware pro ochlazování, počítačové řízení, ventily, připojení senzorů a průchodky termočlánků.
Termočlánky jsou umístěny na několika místech uvnitř pacienta. Dodatečné senzory monitorují tepelné prostředí uvnitř Dewaru.
Systém tedy sleduje více než pouze požadovanou nastavenou hodnotu. Sleduje, jak rychle reagují různé měřené oblasti pacienta.
Počítač upravuje teplotní gradient Dewaru a rychlost poklesu, aby udržel tyto hodnoty v rámci povoleného rozsahu protokolu.
Velké tělo nelze během ochlazování dokonale udržet izotermické. Praktickým cílem je minimalizovat rozptyl a zabránit tomu, aby některá měřená oblast byla nebezpečně před nebo za.
Geometrie Dewaru rovněž snižuje manipulaci mezi řízeným ochlazováním a kryogenním skladováním. Stejný uzavřený tvar může poskytovat stabilní, symetrické prostředí kolem pacienta.
Nastavená teplota není teplota pacienta
Regulátor může prostředí rychle ochladit. Nemůže však okamžitě přizpůsobit teplotu středu lidského těla této hodnotě.
Teplo se musí šířit z hlubších tkání směrem k povrchu. Geometrie, složení těla, distribuce kryoprotektantu a umístění senzorů ovlivňují pozorované zpoždění.
Proto nestačí jeden senzor v komoře. Prostředí s nominální hodnotou -130°C nedokazuje, že každá měřená část pacienta dosáhla -130°C.
Řídicí systém musí zohledňovat jak absolutní teplotu, tak rozdíl mezi kanály. Nejpomalejší bod, nejrychlejší bod a celkový rozptyl nesou každý svou informaci.
Kalibrace termočlánků, jejich umístění a kontinuita jsou rovněž důležité. Nesmyslné hodnoty nebo selhání senzorů by měly být označeny, nikoli tiše zahrnuty do křivky.
Třífázový teplotní program společnosti Tomorrow.bio
Současný protokol má tři odlišné fáze. Hodnoty jsou provozními cíli tohoto zařízení a kryoprotektivního přístupu, nikoli univerzálními konstantami pro každý systém vitrifikace.
1. Rychlý pokles směrem k -130°C
První fáze přesouvá pacienta z teploty suchého ledu směrem k přibližně -130°C, jak rychle to bezpečně umožňuje měřený teplotní rozptyl.
Rychlost je zde důležitá, protože nedostatečně chráněné oblasti mohou stále tvořit led, než se tkáň stane sklovitou.
Počítač nesleduje pouze uplynulý čas. Monitoruje termočlánky a upravuje chladicí prostředí kolem pacienta.
2. Umožnit řízený odraz směrem k -120°C
Po dosažení přibližně -130°C je aktivní chlazení sníženo a pacientovi je umožněno přirozeně se ohřát na přibližně -120°C.
Jedná se o žíhací fázi. V blízkosti Tg kryoprotehovaný materiál si zachovává dostatečnou molekulární pohyblivost, aby došlo k uvolnění některých nahromaděných mechanických napětí.
Toto zpětné oteplení také poskytuje teplejším a chladnějším oblastem čas, aby se vzájemně přiblížily, než je materiál uveden do svého rigidního sklovitého stavu.
Žíhání neodstraňuje předem existující biologické poškození. Jeho účel je užší: snížit tepelné gradienty a napětí způsobená nerovnoměrným smrštěním.
3. Sestup na -196°C probíhá přibližně rychlostí 1°C za hodinu
Od přibližně -120°C je cílový sestup přibližně 1°C za hodinu, dokud pacient nedosáhne teploty kapalného dusíku.
Tento konečný interval 76 stupňů trvá zhruba tři dny, a to ještě před započítáním prodlev a úprav regulace.
Udržování 1°C za hodinu v rozsáhlém, tepelně heterogenním těle představuje problém regulace, nikoli pouhé nastavení časovače.
Regulátor musí neustále upravovat prostředí dewaru tak, aby vnitřní termočlánky sestupovaly společně, aniž by docházelo k vytváření nadměrných gradientů.
Pokud jedna oblast zaostává, nucené ochlazení prostředí může způsobit nadměrné ochlazení jiné oblasti. Přesnost znamená vyvažování celého pole senzorů, nikoli sledování pouze jednoho údaje.
Proč je žíhací fáze vědecky přijatelná
Výzkum vitrifikace na velkých škálách identifikuje dvě konkurenční zóny selhání: nedostatečné chlazení nad Tg a nadměrné mechanické napětí kolem a pod Tg.
Studie2024 studie vitrifikace lidských orgánů na škále orgánu použila více vnitřních sond a dospěla k závěru, že žíhání snižuje gradienty předtím, než materiál vstoupí do sklovité fáze.
Stejná studie zjistila, že pomalé chlazení pod oblastí žíhání pomáhá předcházet obnově velkých gradientů a napětí.
Samostatný výzkumtermomechanický výzkum zjistil, že žíhání v blízkosti Tg významně mění zbytkové napětí a oslabuje jeho závislost na předchozí rychlosti chlazení.
Tyto studie podporují základní strategii regulace. Nezávisle však nevalidují každou přesnou hodnotu v protokolu celého těla společnosti Tomorrow.bio.
Celá lidská těla jsou větší a heterogennější než laboratorní roztoky nebo orgány. Přímé záznamy teploty a zobrazování po ochlazení zůstávají nezbytné.
Co zaznamenává počítač
Užitečný výstup není zpráva hlásící „ochlazení dokončeno“. Jedná se o úplnou časovou řadu ze všech teplotních kanálů.
Záznam by měl ukazovat rychlosti, udržovací doby, odrazy, gradienty mezi senzory, akce regulátoru, alarmy a jakékoli odchylky od plánované křivky.
Tato data se stanou součástíhodnocení kvality kryoprezervace.
Po ochlazení může standardizované CT při teplotě kapalného dusíku odhalit distribuci kryoprotektantu, led, hrubé deformace a zlomeniny, které samotná teplotní data odhalit nemohou.
Proč skončit při teplotě kapalného dusíku
Při normálním atmosférickém tlaku vře dusík poblíž 77.34 kelvinů, což je přibližně -195.8°C, podleNIST Chemistry WebBook.
Skladování v kapalném dusíku je pasivní. Dokud je v nádobě dostatek kapaliny, její varná rovnováha udržuje stabilní kryogenní prostředí bez mechanického chlazení.
Kontrolovaný sestup končí teprve tehdy, když je pacient tepelně připraven pro tento stabilní stav. Skladování není používáno jako náhrada za ochlazení.
Návrh a kompromisy další fáze jsou popsány vmoderních kryogenních Dewarových nádobách a skladování při mezních teplotách.
TL;DR: Společnost Tomorrow.bio používá počítačem řízené chlazení a interní teplotní senzory. Proces ochlazuje rychle v blízkosti skelné transformace, uvolňuje tepelné napětí, poté sestupuje pomalu směrem k -196°C.
Prozkoumejte tento praktický nástroj
Použijte interaktivní nástroj k prozkoumání otázky v tomto článku.
Načítání interaktivního nástroje...
Další čtení