A krioprotektív perfúziót követően a beteget nem egyszerűen folyékony nitrogénbe helyezik.
A beteg egy számítógép által vezérelt hőmérsékleti programot követ, amely több napig tart. A beteg szervezetében elhelyezett érzékelők azt mutatják, hogy a különböző anatómiai régiók együtt hűlnek-e, vagy veszélyes hőmérsékleti gradiensbe kerülnek-e szétválva.
A mérnöki feladat a hűtés során változik. A korai hűtésnek korlátoznia kell a jégképződést. A üvegállapot-átmenet közelében és alatt a pontosság és a hőmérsékleti egyenletesség fontosabbá válik a sebességnél, mint a sebesség.
Miért szükséges a szabályozott hűtés
A krioprotektív anyagok csökkentik a hűtési sebességet, amely a jégképződés elkerüléséhez szükséges. Ezek lehetővé teszik, hogy a víztartalmú szövetek nagy viszkozitású, üvegállapotú állapotba kerüljenek, ahelyett, hogy jelentős mértékben kristályosodnának.
A releváns üvegállapot-átmeneti hőmérsékletet, amelyet Tg-vel jelölünk, a oldat, annak koncentrációja és a mérési módszer határozza meg. Ez egy tartomány, nem pedig egy univerzális biológiai küszöbérték.
Az emberi krioprezerváció szempontjából releváns oldatok esetében ez a tartomány általában közel -120°C és -135°C között található.
E tartomány felett a túl lassú hűtés lehetővé teheti a jégképződés nukleációját és növekedését. Alatta a anyag egyre inkább rideg szilárdként viselkedik.
Ha a felület sokkal gyorsabban hűl, mint a középpont, a különböző régiók eltérő mértékben összehúzódnak. A keletkező termomechanikai feszültség repedéseket okozhat.
Ez egy korlátozott utat hoz létre: a vitrifikáció előtt elég gyorsan kell hűteni, majd a beteg üvegállapotúvá válásakor szabályozni a gradienseket és a hűtési sebességet.
Lásd:a fagyasztás és a vitrifikáció közötti különbség az alapvető fázisviselkedéssel kapcsolatban.
Az első generációs hűtődoboz
A Tomorrow.bio első generációs rendszere, a V1 hűtődoboz, megalapozta a szabályozott egész testű lehűtés alapvető architektúráját.
A beteget egy dedikált szigetelt kamrába helyezik. A számítógép vezérli a kamra kriogén környezetét, miközben termoelem-párok mérik a hőmérsékletet több helyen.
A vezérlő egy programozott görbét követ, ahelyett, hogy folyamatosan maximális hűtést alkalmazna. Minden érzékelő csatorna rögzítésre kerül a beteg hőmérsékleti történetének részeként.
Ez már alapvetően különbözik a közvetlen merítéstől. A gép képes lassítani, tartani vagy változtatni a kamra feltételeit a beteg aktuális állapotának megfelelően.
A második generációs dewar-alapú rendszer
A(z) Tomorrow.bio második generációs tervezete a kontrollált lehűtést egy célra épített dewarba helyezi át.
A páciens a dewar belsejében marad, miközben egy specializált fedél integrálja a lehűtő hardvert, a számítógépes vezérlést, a szelepeket, a szenzorcsatlakozásokat és a termoelemes áttételeket.
A termoelemek több helyen vannak elhelyezve a páciens belsejében. Kiegészítő szenzorok monitorozzák a dewar belsejének hőmérsékleti környezetét.
A rendszer tehát nem csupán a kért beállított értéket látja. Látja, milyen gyorsan reagálnak a páciens különböző mért régiói.
A számítógép a dewar hőmérsékleti gradiensét és a lehűlés sebességét állítja be úgy, hogy ezek az értékek a protokoll által megengedett tartományon belül maradjanak.
Egy nagy test nem lehet tökéletesen izotermikus a lehűlés során. A gyakorlati cél az, hogy minimalizáljuk a szórást, és megakadályozzuk, hogy bármely mért régió veszélyesen előrehaladjon vagy lemaradjon.
A dewar geometriája csökkenti a kezelést a kontrollált lehűtés és a kriogén tárolás között. Ugyanaz a zárt forma stabil, szimmetrikus környezetet biztosíthat a páciens körül.
A beállított hőmérséklet nem azonos a páciens hőmérsékletével
Egy vezérlő gyorsan lehűtheti a környezetet. Nem képes azonban a emberi test középpontját azonnal ehhez a hőmérséklethez igazítani.
A hőnek a mélyebb szövetektől a felszín felé kell haladnia. A geometria, a testösszetétel, a krioprotektáns eloszlás és a szenzorok pozíciója mind befolyásolja a megfigyelt késleltetést.
Ez az oka annak, hogy egy kamraszenzor nem elegendő. A(z) -130°C névleges környezete nem bizonyítja, hogy a páciens minden mért része elérte a(z) -130°C értéket.
A vezérlőrendszernek mind az abszolút hőmérsékletet, mind a csatornák közötti különbséget figyelembe kell vennie. A leglassabb pont, a leggyorsabb pont és az össz-szórás egyaránt információt hordoz.
A termoelemek kalibrációja, elhelyezkedése és folytonossága is számít. A hihetetlen olvasatokat vagy a szenzorhibákat jelezni kell, nem pedig csendben átlagolni őket a görbébe.
A(z) Tomorrow.bio háromfokozatú hőmérsékleti programja
A jelenlegi protokollnak három különálló fázisa van. Az értékek e berendezés és a krioprotektív megközelítés működési céljai, nem pedig általános állandók minden vitrifikációs rendszer számára.
A(z) 1. Gyors ereszkedés a(z) -130°C felé
Az első fázis a páciens hőmérsékletét a szárazjég-hőmérsékletről körülbelül a(z) -130°C felé mozgatja, amennyire a mért hőmérsékleti szórás biztonságosan megengedi.
A sebesség itt fontos, mert a nem megfelelően védett régiókban még jég képződhet mielőtt a szövet üvegszerűvé válna.
A számítógép nem csupán az eltelt időt követi. A termoelemeket monitorozza, és a páciens környezetének hűtését a mérések alapján állítja be.
A(z) 2. Kontrollált visszapattanás a(z) -120°C felé
Miután a páciens elérte a(z) -130°C közelítő értéket, a aktív hűtést csökkentjük, és a páciens természetes módon melegedni kezd a(z) -120°C közelítő érték felé.
Ez egy annealing fázis. A Tg közelében a fagyasztóvédett anyag molekuláris mozgékonysága elegendő ahhoz, hogy a felhalmozódott mechanikai feszültség egy része relaxálódjon.
A visszapattanásnak köszönhetően a melegebb és hidegebb régióknak is több idejük van közelebb kerülni egymáshoz, mielőtt az anyag a merev üvegszerű állapotába kerül.
Az annealing nem szünteti meg a már meglévő biológiai károsodásokat. Célja szűkebb: a hőmérsékleti gradiens és az egyenlőtlen összehúzódásból származó feszültségek csökkentése.
3. A(z) -196°C felé történő ereszkedés sebessége körülbelül 1°C óránként.
A(z) -120°C körüli hőmérsékletről a cél ereszkedési sebesség körülbelül 1°C óránként, amíg a páciens eléri a folyékony nitrogén hőmérsékletét.
Ez a(z) 76 fokos intervallum körülbelül három napot vesz igénybe még a tartások és szabályozási beállítások nélkül.
A(z) 1°C percenkénti fenntartása egy nagy, termikusan heterogén testben nem csupán időzítő beállítás kérdése, hanem szabályozási probléma.
A szabályozónak folyamatosan igazítania kell a dewar környezetét, hogy a belső termoelem-párok együtt ereszkedjenek anélkül, hogy túlzott gradiens alakulna ki.
Amikor egy régió lemarad, a környezet erősebb lehűtése túlhűtheti egy másik régiót. A pontosság azt jelenti, hogy az egész érzékelő mezőt egyensúlyban kell tartani, nem pedig egyetlen olvasat után futni.
Miért tudományosan megalapozott az annealing fázis
A nagy léptékű vitrifikációs kutatások két versengő hibaterületet azonosítottak: a Tg feletti nem kielégítő hűtést és a Tg körüli és alatti túlzott mechanikai feszültséget.
Egy2024 emberi-szervezet-méretű vitrifikációs tanulmány több belső szondát használt, és arra a következtetésre jutott, hogy az annealing csökkenti a gradienseket mielőtt az anyag belépne az üvegszerű fázisba.
Ugyanez a tanulmány kimutatta, hogy a lassú hűtés az annealing régió alatt segít elkerülni a nagy gradiens és feszültség újrafelépülését.
Különállótermomechanikai kutatások kimutatták, hogy az annealing a Tg közelében jelentősen megváltoztatja a maradék feszültséget, és gyengíti annak függését az előző hűtési sebességtől.
Ezek a tanulmányok alátámasztják az alapvető szabályozási stratégiát. Nem validálják azonban önállóan a(z) Tomorrow.bio egész-test protokollának minden egyes pontos beállítóját.
Az emberi testek egészben nagyobbak és heterogénebbek, mint a laboratóriumi oldatok vagy szervek. A közvetlen hőmérsékleti feljegyzések és a lehűlés utáni képalkotás továbbra is szükségesek.
Amit a számítógép rögzít
A hasznos kimenet nem egy „lehűlés befejeződött” üzenet. A teljes idősor minden hőmérsékleti csatornáról.
A feljegyzésnek tartalmaznia kell a sebességeket, a tartásokat, a visszapattanásokat, a szenzorok közötti gradienscket, a szabályozó műveleteket, a riasztásokat és bármilyen eltérést a tervezett görbétől.
Ezek az adatok akrioprezervációs minőségértékelés részét képezik.
A lehűlés után a standardizált CT folyékony nitrogén hőmérsékleten kimutathatja a krioprotektáns eloszlását, a jeget, a durva deformációkat és a töréseket, amiket a hőmérsékleti adatok önmagukban nem fednek fel.
Miért fejeződik be folyékony nitrogén hőmérsékleten
Normál légköri nyomáson a nitrogén közel 77.34 kelvin hőmérsékleten forr, körülbelül -195.8°C, a(z)NIST Chemistry WebBook szerint.
A folyékony nitrogén tárolása passzív. Amíg elegendő folyadék marad az edényben, a forráspont egyensúlya stabil kriogén környezetet tart fenn mechanikai hűtés nélkül.
A kontrollált ereszkedés csak akkor fejeződik be, amikor a páciens hőmérsékletileg készen áll erre a stabil állapotra. A tárolás nem használható a lehűlés pótlására.
A következő fázis tervezése és kompromisszumai a(z)modern kriogén dewarek és köztes hőmérsékletű tárolás témakörét ölelik fel.
TL;DR: A(z) Tomorrow.bio számítógép vezérelte hűtést és belső hőmérsékleti érzékelőket használ. A folyamat gyorsan hűl az üvegesedés közelében, enyhíti a hőfeszültséget, majd lassan ereszkedik le -196°C felé.
Fedezze fel ezt a gyakorlati eszközt
Használja az interaktív eszközt a cikkben szereplő kérdés feltárásához.
Az interaktív eszköz betöltése...
További olvasnivaló