Po perfuziji s krioprotektivnimi sredstvi se bolnika ne preprosto postavi v tekoči dušik.
Bolnik sledi računalniško nadzorovanemu programu ohlajanja, ki traja več dni. Senzorji znotraj bolnika pokažejo, ali se različna anatomska področja ohlajajo skupaj ali se ločijo v nevarne toplotne gradientne razlike.
Inženirski problem se spremeni med spustom. Zgodnje ohlajanje naj bi omejilo tvorbo ledu. V bližini in pod steklasto prehodno temperaturo postanejo natančnost in toplotna enakomernost pomembnejši od hitrosti.
Vprašanje, zakaj je nadzorovano ohlajanje potrebno
Krioprotektivna sredstva zmanjšujejo hitrost ohlajanja, potrebno za preprečevanje ledu. Omogočajo, da tkivo, bogato z vodo, vstopi v visoko viskozen, steklasti stanj namesto da bi se obsežno kristaliziralo.
Pomembna steklasta prehodna temperatura, označena kot Tg, je odvisna od raztopine, njene koncentracije in metode merjenja. Gre za območje, ne za enoten univerzalni biološki prag.
Za raztopine, pomembne za človeško krioprezervacijo, se to območje običajno nahaja blizu -120°C do -135°C.
Nad tem območjem lahko prepočasno ohlajanje omogoči nukleacijo in rast ledu. Pod njim se material vedno bolj obnaša kot krhka trdnina.
Če se površina ohlaja veliko hitreje od središča, se različna področja skrčijo za različne količine. Nastali toplotno-mehanski napetosti lahko povzročijo razpoke.
To ustvarja omejeno pot: ohlajajte dovolj hitro pred vitrifikacijo, nato pa nadzorujte gradientne razlike in hitrost ohlajanja, ko bolnik postaja steklast.
Glejterazliko med zmrzovanjem in vitrifikacijo za osnovno fazno vedenje.
Prva generacija ohlajalne komore
Prva generacija sistema Tomorrow.bio, imenovana ohlajalna komora V1, je postavila osnovno arhitekturo za nadzorovano ohlajanje celega telesa.
Bolnik je postavljen v posvečeno izolirano komoro. Računalnik nadzoruje kriogeno okolje komore, medtem ko termoelementi merijo temperature na več lokacijah.
Regulator sledi programirani krivulji namesto da bi neprekinjeno uporabljal maksimalno ohlajanje. Vsaka senzorska kanala je zapisana kot del toplotne zgodovine bolnika.
To je že v osnovi drugače od neposrednega potopitja. Naprava lahko upočasni, ustavi ali spremeni pogoje v komori v odzivu na dejansko stanje bolnika.
Druga generacija sistema, temelječega na dewarju
Drugi generacijski dizajn Tomorrow.bio premakne nadzorovano ohlajanje v namensko zgrajen dewar.
Pacient ostaja znotraj dewarja, medtem ko specializiran pokrov integrira strojno opremo za ohlajanje, računalniške kontrole, ventile, povezave senzorjev in vhode termoelementov.
Termoelementi so nameščeni na več lokacijah znotraj pacienta. Dodatni senzorji nadzorujejo toplotno okolje znotraj dewarja.
Sistem zato vidi več kot le zahtevano nastavitveno točko. Vidi, kako hitro se različna merjena območja pacienta odzivajo.
Računalnik prilagaja temperaturni gradient dewarja in hitrost spuščanja, da te meritve vzdržuje znotraj dovoljenega območja protokola.
Veliko telo med ohlajanjem ne more biti popolnoma izotermno. Praktični cilj je zmanjšati razpršitev in preprečiti, da bi katerokoli merjeno območje nevarno predhodno ali zaostajalo.
Geometrija dewarja tudi zmanjšuje rokovanje med nadzorovanim ohlajanjem in kriogenim shranjevanjem. Isti zaprt prostor lahko zagotavlja stabilno, simetrično okolje okoli pacienta.
Nastavitvena temperatura ni temperatura pacienta
Regulator lahko okolje ohladi hitro. Ne more pa takoj ujemati temperaturo središča človeškega telesa s to temperaturo.
Toplota se mora premikati iz globljega tkiva proti površini. Geometrija, sestava telesa, razporeditev krioprotektanta in položaj senzorjev vplivajo na opazovano zakasnitev.
Zato je en senzor v komori nezadosten. Nominalno okolje -130°C ne dokazuje, da je vsak merjen del pacienta dosegel -130°C.
Sistem kontrole mora upoštevati tako absolutno temperaturo kot razliko med kanali. Najpočasnejša točka, najhitrejša točka in celotna razpršitev nosijo informacije.
Kalibracija, postavitev in kontinuiteta termoelementov so prav tako pomembne. Nesmiselne meritve ali odpoved senzorjev morajo biti označene namesto tiho vključene v krivuljo.
Temperaturni program treh faz Tomorrow.bio
Trenutni protokol ima tri ločene faze. Vrednosti so operativni cilji za to opremo in pristop krioprotekcije, ne pa univerzalne konstante za vsak sistem vitrifikacije.
1. Hitro spustite proti -130°C
V prvi fazi se pacient premakne iz temperature suhega ledu proti približno -130°C tako hitro, kot to dovoljuje varno merjena razpršitev temperature.
Hitrost je tukaj pomembna, ker lahko še vedno nezaščitena območja tvorijo led, preden tkivo postane steklasto.
Računalnik ne sledi le pretečenemu času. Nadzoruje termoelemente in prilagaja hladilno okolje okoli pacienta.
2. Dovolite nadzorovan odskok proti -120°C
Po doseganju približno -130°C se aktivno hlajenje zmanjša in bolniku dovolimo, da se naravno segreje do približno -120°C.
To je faza žarjenja. V bližini Tg ohranjen, krioprotegiran material zadrži dovolj molekularne gibljivosti, da se lahko sproščijo nekateri kopičeni mehanski napetosti.
Odbojna faza tudi omogoča, da se toplejša in hladnejša območja pred prehodom materiala v trdno steklasto stanje približajo drug drugemu.
Žarjenje ne odpravi že obstoječih bioloških poškodb. Njegov namen je ožji: zmanjšati toplotne gradient in napetosti, ki jih povzroča neenakomerna kontrakcija.
3. Spustite se do -196°C pri približno 1°C na uro
Od približno -120°C je ciljni spust približno 1°C na uro, dokler bolnik ne doseže temperature tekočega dušika.
Zadnji 76-stopinjski interval traja približno tri dni, še preden se upoštevajo vzdrževanja in prilagoditve nadzora.
Vzdrževanje 1°C na uro v velikem, termično heterogenem telesu je problem nadzora, ne le nastavitev časovnika.
Vodja mora neprekinjeno prilagajati okolje dewarja, tako da notranja termoelementa padajo skupaj, ne da bi ustvarjali prekomerne gradient.
Ko eno območje zaostaja, lahko prisilno hlajenje okolja prehladi drugo območje. Točnost pomeni uravnoteženje celotnega senzorskega polja, ne pa lovljenje enega samega odčitka.
Zakaj je faza žarjenja znanstveno utemeljena
Raziskave velike vitrifikacije identificirajo dve tekmovalni coni odpovedi: nezadostno hlajenje nad Tg in prekomerne mehanske napetosti okoli in pod Tg.
Raziskava2024 študija vitrifikacije človeških organov v velikem merilu je uporabila več notranjih sond in zaključila, da žarjenje zmanjšuje gradient pred prehodom materiala v steklasto fazo.
Ista raziskava je ugotovila, da počasen spust pod območje žarjenja pomaga preprečiti obnavljanje velikih gradientov in napetosti.
Ločenatermo-mehanična raziskava je ugotovila, da žarjenje v bližini Tg bistveno spremeni preostale napetosti in zmanjša njihovo odvisnost od predhodne hitrosti hlajenja.
Te raziskave podpirajo osnovno strategijo nadzora. Neodvisno ne potrjujejo vsakega natančnega nastavka v celotnem protokolu za celotno telo pri Tomorrow.bio.
Celi človeški telesi so večja in bolj heterogena kot laboratorijske raztopine ali organi. Neposredni zapisi temperature in slikanje po ohladitvi še vedno ostajajo nujni.
Kar računalnik zapiše
Uporaben izhod ni sporočilo, ki bi glasilo »ohladitev končana«. Gre za celoten časovni niz iz vseh temperaturnih kanalov.
Zapis naj prikazuje hitrosti, zadrževanja, odboje, gradiente med senzorji, dejanja regulatorja, alarmne signale in morebitna odstopanja od načrtovane krivulje.
Ti podatki postanejo delocenjevanja kakovosti krioprezervacije.
Po ohladitvi lahko standardiziran CT pri temperaturi tekočega dušika omogoča preverjanje porazdelitve krioprotektanta, ledu, groznih deformacij in prelomov, ki jih sami temperaturni podatki ne morejo odkriti.
Zakaj končati pri temperaturi tekočega dušika
Pri normalnem atmosferskem tlaku dušik vre pri približno 77.34 kelvinih, kar je približno -195.8°C, kot navajaNIST Chemistry WebBook.
Shranjevanje v tekočem dušiku je pasivno. Dokler v posodi ostaja dovolj tekočine, njena vremenja ravnotežje vzdržuje stabilno kriogeno okolje brez mehanskega hlajenja.
Kontroliran spust se konča šele, ko je bolnik toplotno pripravljen za to stabilno stanje. Shranjevanje se ne uporablja kot nadomestek za ohladitev.
Načrtovanje in kompromisi naslednje faze so obravnavani vsodobnih kriogenih dewarjih in shranjevanju pri vmesnih temperaturah.
Kratek pregled: Tomorrow.bio uporablja računalniško nadzorovano hlajenje in notranje temperaturnje senzorje. Postopek hitro ohladi blizu tvorbe stekla, zmanjša toplotna napetost, nato pa se počasi spušča proti -196°C.
Raziščite to praktično orodje
Uporabite interaktivno orodje za raziskovanje vprašanja v tem članku.
Nalaganje interaktivnega orodja...
Dodatno branje