Po krioprotekcinės perfuzijos pacientas nėra tiesiog patalpinamas į skystą azotą.
Pacientas seka kompiuterio valdomą temperatūros programą, trunkančią keletą dienų. Jautikliai paciento viduje rodo, ar skirtingos anatominės sritys atvėsta kartu arba skiriasi į pavojingus šiluminius gradientus.
Inžinerinė problema keičiasi leidžiantis žemyn. Ankstyvas atvėsimas turėtų apriboti ledo formavimąsi. Šalia ir žemiau stiklo perėjimo temperatūros, tikslumas ir šiluminis vienodumas tampa svarbesni nei greitis.
Kodėl reikalingas valdomas atvėsimas
Krioprotekciniai reagentai sumažina reikalingą atvėsinimo greitį, kad būtų išvengta ledo. Jie leidžia vandeniui turtingoms audiniams patekti į labai klampią, stiklo pavidalo būseną vietoj to, kad kristalizuotųsi plačiai.
Relevanti stiklo perėjimo temperatūra, žymima Tg, priklauso nuo tirpalo, jo koncentracijos ir matavimo metodo. Tai yra sritis, o ne vienas universalus biologinis slenkstis.
Žmogaus krioprezervacijai reikšmingoms tirpalams ši sritis dažniausiai yra arti -120°C iki -135°C.
Virš šios srities per lėtas atvėsimas gali leisti ledo branduolių formavimuisi ir augimui. Žemiau jos medžiaga elgiasi vis labiau kaip trapus kietasis kūnas.
Jei paviršius atvėsta daug greičiau nei centras, skirtingos sritys susitraukia skirtingais kiekiais. Gaunamos termomechaninės įtampos gali sukelti įtrūkimų.
Tai sukuria apribotą kelią: atvėsinkite pakankamai greitai prieš stiklinimą, tada kontroliuokite gradientus ir atvėsinimo greitį, kai pacientas tampa stiklo pavidalo.
Žr. skirtumą tarp užšalimo ir stiklinimo dėl esminio fazinio elgesio.
Pirmosios kartos atvėsinimo dėžė
Tomorrow.bio pirmosios kartos sistema, vadinama V1 atvėsinimo dėže, nustatė pagrindinę architektūrą valdomam viso kūno atvėsimui.
Pacientas patalpinamas į specialią izoliuotą kamerą. Kompiuteris valdo kameros kriogeninę aplinką, o termoporos matuoja temperatūras daugelyje vietų.
Valdiklis seka užprogramuotą kreivę vietoj to, kad nuolat taikytų maksimalų atvėsimą. Kiekvienas jutiklio kanalas užrašomas kaip paciento šiluminės istorijos dalis.
Tai jau esmingai skiriasi nuo tiesioginio panardinimo. Mašina gali sulėtinti, sustabdyti ar pakeisti kameros sąlygas atsižvelgdama į tai, kaip reaguoja pacientas.
Antrosios kartos dewar sistema
Antrojo tipo Tomorrow.bio dizainas perkėlė valdomą atšalimą į specialiai sukonstruotą dewarą.
Pacientas lieka deware, tuo tarpu specializuotas dangtis integruoja atšalimo aparatūrą, kompiuterio valdymą, vožtuvus, jutiklių prijungimus ir termoporų įvedimo įrenginius.
Termoporos yra išdėstytos keliuose paciento vidaus taškuose. Papildomi jutikliai stebi šiluminę aplinką deware.
Taigi sistema stebi ne tik nustatytąją reikšmę. Ji seka, kaip greitai skirtingos paciento matuojamos sritys reaguoja į atšalimą.
Kompiuteris reguliuoja devaro temperatūros gradientą ir atšalimo greitį, kad šie rodmenys liktų leidžiamame protokolo ribose.
Didelis kūnas negali būti visiškai izoterminis atšaldant. Praktinis tikslas; sumažinti skirtumą ir užkirsti kelią bet kurios matuojamos srities pavojingam pralenkimui ar atsiliekimui.
Dewaro geometrija taip pat sumažina manipuliacijų poreikį tarp valdomo atšalimo ir kriogeninės saugyklos. Tas pats uždaras formantas gali sudaryti stabilią, simetrišką aplinką aplink pacientą.
Nustatytoji temperatūra nėra paciento temperatūra.
Valdiklis gali greitai atvėsinti aplinką. Jis negali akimirksniu priversti žmogaus kūno centro atitikti tą temperatūrą.
Šiluma turi sklisti iš gilesnių audinių į paviršių. Geometrija, kūno sudėtis, krioprotektanto pasiskirstymas ir jutiklių padėtis veikia stebimą vėlavimą.
Štai kodėl vieno kameros jutiklio nepakanka. Nominali -130°C aplinka neįrodo, kad kiekviena paciento matuojama dalis pasiekė -130°C.
Valdymo sistema turi atsižvelgti tiek į absoliutų temperatūrą, tiek į skirtumą tarp kanalų. Lėčiausias taškas, greičiausias taškas ir bendras skirtumas kiekvienas neša informaciją.
Termoporų kalibravimas, išdėstymas ir vientisumas taip pat yra svarbūs. Netikėti rodmenys ar jutiklių gedimai turėtų būti pažymėti, o ne tyliai įtraukti į kreivę.
Tomorrow.bio trijų pakopų temperatūros programa
Esamas protokolas turi tris atskiras fazes. Šie skaičiai yra šio įrenginio ir krioprotekcinio metodo veikimo tikslai, o ne universalūs konstantai kiekvienai vitrifikacijos sistemai.
1. Greitai leistis link -130°C
Pirmoji fazė pacientą perkelia nuo sausojo ledo temperatūros link maždaug -130°C, kiek leidžia saugiai matuojamas temperatūros skirtumas.
Greitis čia yra svarbus, nes neapsaugotos sritys vis dar gali suformuoti ledą, kol audinys tampa stikliškas.
Kompiuteris seka ne vien laiko tarpą. Jis stebi termoporų rodmenis ir reguliuoja paciento aplinkos atšalimo greitį.
2. Leisti kontroliuojamą atšalimo atšoką link -120°C
Pasiekus maždaug -130°C, aktyvus aušinimas sumažinamas, o pacientas leidžiamas natūraliai sušilti iki maždaug -120°C.
Tai yra atkaitinimo fazė. Esant artimam Tg, krioproteguotas medžiagas išlaiko pakankamą molekulinį mobilumą, kad dalis susikaupusių mechaninių įtampų galėtų atsipalaiduoti.
Atkaitinimas taip pat suteikia šiltesnių ir šaltesnių sričių laiką priartėti viena prie kitos, prieš medžiagai esant perkeliant į griežtesnę stiklišką būseną.
Atkaitinimas neatšaukia anksčiau atsiradusio biologinio pažeidimo. Jo tikslas yra siauresnis: sumažinti šiluminius gradientus ir įtampas, atsirandančias dėl nelygaus susitraukimo.
3. Leidžiamasi iki -196°C maždaug 1°C per valandą greičiu
Nuo maždaug -120°C, numatomas leidimosi greitis yra maždaug 1°C per valandą, kol pacientas pasiekia skysto azoto temperatūrą.
Tas paskutinis 76 laipsnių intervalas užtrunka maždaug tris dienas, netgi prieš atsižvelgiant į laikymo ir reguliavimo pataisas.
1°C per valandą greičio palaikymas dideliame, termiškai nevienalytėje struktūroje yra valdymo problema, o ne vien laiko nustatymas.
Reguliatorius turi nuolat reguliuoti devero aplinką, kad vidiniai termoelementai leistųsi kartu, nesukuriant per didelių gradientų.
Kai kuris regionas atsilieka, aplinkos atšaldymas gali peršaldyti kitą regioną. Tikslumas reiškia visos jutiklių sistemos subalansavimą, o ne vieno rodmens sekimą.
Kodėl atkaitinimo fazė yra moksliškai pagrįsta
Didelių mastų vitrifikacijos tyrimai identifikuoja dvi konkuruojančias gedimo zonas: nepakankamą aušinimą virš Tg ir per didelę mechaninę įtampą apie ir žemiau Tg.
„2024 žmogaus organų mastelio vitrifikacijos tyrimas“ panaudojo kelių vidinių jutiklių sistemą ir padarė išvadą, kad atkaitinimas sumažina gradientus, prieš medžiagai įeinant į stiklišką fazę.
Tas pats tyrimas nustatė, kad lėtas aušinimas žemiau atkaitinimo srities padeda išvengti didelių gradientų ir įtampų atkūrimo.
Atskiruose „termomechaniniuose tyrimuose“ nustatyta, kad atkaitinimas esant artimam Tg ženkliai keičia likusią įtampą ir silpnina jos priklausomybę nuo prieš tai buvusio aušinimo greičio.
Šie tyrimai palaiko esminę valdymo strategiją. Jie nepriklausomai nepatvirtina kiekvieno tikslios reikšmės Tomorrow.bio viso kūno protokole.
Žmogaus kūnai yra didesni ir heterogeniškesni nei laboratoriniai tirpalai ar organai. Reikalingi tiesioginiai temperatūros įrašai ir vaizdinimas po atšaldymo.
Ką įrašo kompiuteris
Naudingas išvesties duomenų rinkinys nėra pranešimas, sakantis „atšaldymas baigtas“. Tai yra visas laiko eilės rinkinys iš kiekvieno temperatūros kanalo.
Įrašas turėtų rodyti greičius, laikymą, atšokimus, jutiklių gradientus, valdiklio veiksmus, signalus ir bet kokį nukrypimą nuo planuotos kreivės.
Šie duomenys tampa dalimikrioprezervacijos kokybės įvertinimo.
Po atšaldymo standartizuotas kompiuterinis tomografijos tyrimas esant skysto azoto temperatūrai gali atskleisti krioprotektanto pasiskirstymą, ledą, dideles deformacijas ir lūžius, ko vien tik temperatūros duomenys negali atskleisti.
Kodėl baigti esant skysto azoto temperatūrai
Normaliomis atmosferos sąlygomis azotas verda apie 77.34 kelvinų, maždaug -195.8°C, remiantisNIST Chemistry WebBook.
Skysto azoto laikymas yra pasyvus. Kol tinkamas skysčio kiekis išlieka inde, jo virimo pusiausvyra palaiko stabilią kriogeninę aplinką be mechaninio aušinimo.
Valdomas nusileidimas baigiamas tik tada, kai pacientas termiškai pasirengęs šiam stabiliam būviui. Laikymas nėra naudojamas kaip atšaldymo pakaitalas.
Sekančio etapo dizaino ir kompromisų klausimai aptariamišiuolaikiniuose kriogeniniuose dewaruose ir tarpinės temperatūros laikymo sistemose.
Trumpai: Tomorrow.bio naudoja kompiuterio valdomą aušinimą ir vidinius temperatūros jutiklius. Procesas greitai atšaldo netoli stiklo formavimosi, sumažina terminį stresą, tada lėtai leidžiasi link -196°C.
Išbandykite šią praktinę priemonę
Naudokite interaktyvią priemonę, kad išnagrinėtumėte šiame straipsnyje keliamą klausimą.
Įkeliama interaktyvi priemonė...
Tolesnė literatūra