След перфузията с криопротективни агенти пациентът не се поставя просто в течен азот.
Пациентът следва компютърно контролирана температурна програма, продължаваща няколко дни. Сензорите в тялото му показват дали различни анатомични области се охлаждат заедно или се разделят в опасни температурни градиенти.
Инженерният проблем се променя по време на спускането. Ранното охлаждане трябва да ограничи образуването на лед. В близост и под температурата на стъкловидно превръщане, точността и термичната еднородност стават по-важни от скоростта.
Защо е необходимо контролирано охлаждане
Криопротективните агенти намаляват необходимата скорост на охлаждане, за да се избегне образуването на лед. Те позволяват на тъканите, богати на вода, да преминат в високо вискозно, стъкловидно състояние вместо да кристализират обширно.
Релевантната температура на стъкловидно превръщане, обозначавана като Tg, зависи от разтвора, неговата концентрация и метода на измерване. Това е диапазон, а не единна биологична граница.
За разтвори, релевантни за човешка криоконсервация, този регион обикновено е около -120°C до -135°C.
Над този регион, твърде бавното охлаждане може да позволи зародишообразуване и растеж на лед. Под него, материалът се държи все повече като крехко твърдо тяло.
Ако повърхността се охлади много по-бързо от центъра, различни области се свиват в различна степен. Полученият термомеханичен стрес може да предизвика пукнатини.
Това създава ограничен път: охлаждайте достатъчно бързо преди витрификация, след това контролирайте градиентите и скоростта на охлаждане, докато пациентът става стъкловиден.
Вижтеразликата между замръзване и витрификация за основното фазово поведение.
Първото поколение охлаждаща камера
Първата система от първо поколение на Tomorrow.bio, наречена охлаждащата камера V1, установи основната архитектура за контролирано цялостно охлаждане на тялото.
Пациентът се поставя в специализирана изолирана камера. Компютърът контролира криогенната среда на камерата, докато термодвойките измерват температурите на множество места.
Контролерът следва предварително зададена крива, вместо да прилага максимално охлаждане непрекъснато. Всеки канал на сензора се записва като част от топлинната история на пациента.
Това вече е фундаментално различно от директното потапяне. Машината може да забави, задържи или промени условията в камерата в отговор на това, което се случва с пациента.
Втората генерация система с дюаров съд
Вторият генерационен дизайн на Tomorrow.bio премества контролираното охлаждане в специално предназначен за целта съд за съхранение при ниски температури.
Пациентът остава вътре в съда за съхранение при ниски температури, докато специализирана капак интегрира хардуера за охлаждане, компютърни контролери, клапани, свързвания на сензори и пропускане на термодвойки.
Термодвойките са разположени на няколко места вътре в пациента. Допълнителни сензори наблюдават термалната среда вътре в съда за съхранение при ниски температури.
Системата следователно регистрира повече от зададената температура на настройка. Тя регистрира колко бързо различни измерени области на пациента реагират.
Компютърът регулира температурния градиент на съда за съхранение при ниски температури и скоростта на спускане, за да поддържа тези отчитания в рамките на допустимия обхват на протокола.
Едно голямо тяло не може да бъде перфектно изотермично по време на охлаждане. Практическата цел е да се минимизира разпространението и да се предотврати всяка измерена област да изпревари или изостане опасно.
Геометрията на съда за съхранение при ниски температури също намалява манипулациите между контролираното охлаждане и криогенното съхранение. Същата затворена форма може да осигури стабилна, симетрична среда около пациента.
Температурата на настройка не е температурата на пациента
Контролерът може бързо да охлади средата. Не може обаче да накара центъра на човешкото тяло да достигне тази температура мигновено.
Топлината трябва да се придвижи от по-дълбоките тъкани към повърхността. Геометрията, състава на тялото, разпределението на криопротектора и позицията на сензорите влияят върху наблюдаваното закъснение.
Ето защо един камерен сензор е недостатъчен. Една номинална среда -130°C не доказва, че всяка измерена част от пациента е достигнала -130°C.
Контролната система трябва да отчита както абсолютната температура, така и разликата между каналите. Най-бавната точка, най-бързата точка и общото разпространение носят всяка своя информация.
Калибрирането, разположението и непрекъснатостта на термодвойките също са важни. Невъзможните отчитания или откази на сензорите трябва да бъдат маркирани, вместо да бъдат безмълвно усреднявани в кривата.
Температурната програма на Tomorrow.bio в три етапа
Настоящият протокол има три различни фази. Стойностите са оперативни цели за това оборудване и криопротективния подход, а не универсални константи за всяка система за витрификация.
1. Бързо спускане към -130°C
През първата фаза пациентът се премества от температурата на сух лед към приблизително -130°C възможно най-бързо, без да се нарушава безопасното разпространение на измерената температура.
Скоростта тук е важна, защото все още могат да се образуват ледени кристали в незащитените области, преди тъканта да стане стъкловидна.
Компютърът не се ръководи единствено от изминалото време. Той наблюдава термодвойките и регулира охлаждащата среда около пациента.
2. Позволява контролирано възстановяване към -120°C
След достигането на приблизително -130°C, активно охлаждане се намалява и пациентът се оставя да се затопли естествено до приблизително -120°C.
Това е фаза на отгряване. Близо до Tg, криопротектираната материя запазва достатъчна молекулярна подвижност, за да се релаксира известно натрупано механично напрежение.
Отскокът също дава на по-топлите и по-студените области време да се приближат една към друга, преди материята да бъде отвеждана по-дълбоко в нейното твърдо стъкловидно състояние.
Отгряването не обръща предшестващите биологични увреждания. Неговата цел е по-ограничена: намаляване на температурните градиенти и напреженията, създадени от неравномерно свиване.
3. Спускане до -196°C с приблизително 1°C на час
От около -120°C, целта за спускане е приблизително 1°C на час, докато пациентът достигне температурата на течния азот.
Този последен 76-градусов интервал отнема приблизително три дни дори преди да се отчетат задържанията и корекциите на контрола.
Поддържането на 1°C на час в голямо, термично хетерогенно тяло представлява проблем на контрол, а не просто настройка на таймер.
Контролерът трябва непрекъснато да регулира средата на девара, така че вътрешните термодвойки да се спускат заедно, без да се създават прекомерни градиенти.
Когато една област изостава, принуждаването на средата да стане по-студена може да преохлади друга област. Прецизността означава балансиране на цялото поле от сензори, а не追逐 една единствена стойност.
Защо фазата на отгряване е научно правдоподобна
Изследванията върху мащабна витрификация идентифицират два конкуриращи се зони на неуспех: недостатъчно охлаждане над Tg и прекомерно механично напрежение около и под Tg.
Едно2024 изследване върху витрификация на човешки органи в мащаб използва множество вътрешни сонди и стигна до извода, че отгряването намалява градиентите преди материята да навлезе в стъкловидната фаза.
Същото изследване установи, че бавното охлаждане под областта на отгряване помага за избягване на възстановяването на големи градиенти и напрежения.
Отделнитермомеханични изследвания установиха, че отгряването близо до Tg значително променя остатъчното напрежение и отслабва неговата зависимост от предходната скорост на охлаждане.
Тези изследвания подкрепят основната стратегия за контрол. Те не валидират независимо всеки точен параметър в цялостния протокол за цялото тяло на Tomorrow.bio.
Целите човешки тела са по-големи и по-хетерогенни от лабораторните разтвори или органи. Необходими остават директните температурни записи и образите след охлаждането.
Какво записва компютърът
Полезният изход не е съобщение, гласящо „охлаждането приключи“. Това е пълната поредица от данни от всеки температурен канал.
Записът трябва да показва скорости, задържания, възстановявания, градиенти между сензорите, действия на контролера, аларми и всяко отклонение от планираната крива.
Тези данни стават част отоценка на качеството на криоконсервацията.
След охлаждането, стандартизираната компютърна томография при температура на течния азот може да разкрие разпределението на криопротектора, лед, груби деформации и пукнатини, които температурните данни сами по себе си не могат да покажат.
Защо да се спираме при температурата на течния азот
При нормално атмосферно налягане, азотът кипи близо до 77.34 келвина, приблизително -195.8°C, споредNIST Chemistry WebBook.
Съхранението в течен азот е пасивно. Докато в съда има достатъчно течност, неговото равновесие на кипене поддържа стабилна криогенна среда без механично охлаждане.
Контролираният спад приключва единствено когато пациентът е термично готов за това стабилно състояние. Съхранението не се използва като заместител на охлаждането.
Проектирането и компромисите на следващия етап са разгледани вмодерни криогенни съдове и съхранение при междинни температури.
TL;DR: Tomorrow.bio използва компютърно контролирано охлаждане и вътрешни температурни сензори. Процесът охлажда бързо близо до образуването на стъкло, облекчава термичния стрес, след което се спуска бавно към -196°C.
Разгледайте този практически инструмент
Използвайте интерактивния инструмент, за да разгледате въпроса в тази статия.
Зареждане на интерактивния инструмент...
Допълнително четене