Jäähdyttävän perfuusion jälkeen potilasta ei vain lasketa nestemäiseen typpeen.
Potilas seuraa tietokoneohjattua lämpötilaohjelmaa, joka kestää useita päiviä. Potilaan sisällä olevat anturit osoittavat, jäähtyvätkö eri anatomiset alueet yhdessä vai erkaantuvatko ne vaarallisiin lämpötilaeroihin.
Tekninen ongelma muuttuu laskeutumisen aikana. Varhainen jäähdytys pitäisi rajoittaa jään muodostumista. Lähellä ja lasittumisen alapuolella tarkkuus ja lämpötilan tasaisuus ovat tärkeämpiä kuin nopeus.
Miksi kontrolloitu jäähdytys on tarpeen
Jäähdyttävät aineet vähentävät tarvittavaa jäähdytysnopeutta jään muodostumisen välttämiseksi. Ne mahdollistavat vesipitoisen kudoksen siirtymisen erittäin viskoosiin, lasimaiseen tilaan sen sijaan, että se kiteytyisi laajasti.
Tärkeä lasittumislämpötila, jota merkitään Tg:llä, riippuu liuoksesta, sen pitoisuudesta ja mittausmenetelmästä. Se on alue, ei yksi yleismaailmallinen biologinen kynnysarvo.
Ihmisen kryopreservaation kannalta merkityksellisille liuoksille tämä alue on yleisesti lähellä -120°C; -135°C.
Tuon alueen yläpuolella liian hidas jäähdytys voi sallia jään ydintymisen ja kasvun. Alueen alapuolella materiaali käyttäytyy yhä enemmän hauraan kiinteän aineen tavoin.
Jos pinta jäähtyy paljon nopeammin kuin keskusta, eri alueet supistuvat eri määrin. Tuloksena olevat termomekaaniset jännitykset voivat aiheuttaa halkeamia.
Tämä luo rajoitetun polun: jäähdytä riittävän nopeasti ennen lasittumista, ja sitten hallitse lämpötilaeroja ja jäähdytysnopeutta, kun potilas muuttuu lasimaiseksi.
Katsojään ja lasittumisen välinen ero taustalla olevasta faasikäyttäytymisestä.
Ensimmäisen sukupolven jäähdytyslaatikko
Tomorrow.bio:n ensimmäisen sukupolven järjestelmä, jota kutsutaan V1-jäähdytyslaatikoksi, loi perusarkkitehtuurin kontrolloidulle koko kehon jäähdytykselle.
Potilas asetetaan erikoiseen eristettyyn kammioon. Tietokone ohjaa kammion kryogeenistä ympäristöä, kun taas termoparit mittaavat lämpötiloja useista paikoista.
Ohjain seuraa ohjelmoitua käyrää sen sijaan, että käyttäisi maksimaalista jäähdytystä jatkuvasti. Jokainen anturikanava tallennetaan osana potilaan lämpöhistoriaa.
Tämä on jo olennaisesti erilaista kuin suora upotus. Kone voi hidastaa, pitää yllä tai muuttaa kammion olosuhteita reagoidessaan siihen, mitä potilaalle tapahtuu.
Toisen sukupolven dewaaripohjainen järjestelmä
Tomorrow.bio:n toisen sukupolven suunnitelma siirtää kontrolloidun jäähdytyksen tarkoitukseen rakennettuun dewaarissa.
Potilas pysyy dewaarissa samalla kun erikoistunut kansi yhdistää jäähdytyslaitteiston, tietokoneohjauksen, venttiilit, anturiliitännät ja termopariläpiviennit.
Termopareja on sijoitettu useisiin paikkoihin potilaan sisällä. Lisäanturit seuraavat dewaarissa olevan lämpöympäristön tilaa.
Järjestelmä siis havaitsee enemmän kuin asetetun tavoitelämpötilan. Se näkee, kuinka nopeasti eri mitattavat alueet potilaassa reagoivat.
Tietokone säätää dewaarissa olevan lämpötilagradientin ja laskunopeuden pitääkseen nämä lukemat protokollan sallimissa rajoissa.
Suuri kappale ei voi olla täysin isoterminen jäähdytyksen aikana. Käytännön tavoitteena on minimoida eroavaisuudet ja estää minkään mitatun alueen jäämästä vaarallisesti edelle tai jälkeen.
Dewarin geometria myös vähentää käsittelyä kontrolloidun jäähdytyksen ja kryogeenisen varastoinnin välillä. Sama suljettu muoto voi tarjota vakaat, symmetriset olosuhteet potilaan ympärillä.
Tavoitelämpötila ei ole potilaan lämpötila
Ohjain voi tehdä ympäristöstä nopeasti kylmän. Se ei voi saada ihmisen ruumiin keskustaa vastaamaan heti sitä lämpötilaa.
Lämpöä täytyy siirtyä syvemmästä kudoksesta pinnalle. Geometria, ruumiin koostumus, kryoprotektanttien jakautuminen ja anturin sijainti vaikuttavat havaittuun viiveeseen.
Tästä syystä yhden kammioanturin käyttö ei riitä. Nimellinen -130°C ympäristö ei todista, että jokainen potilaan mitattu osa on saavuttanut -130°C.
Ohjausjärjestelmän täytyy ottaa huomioon sekä absoluuttinen lämpötila että kanavien välinen ero. Hitaimman pisteen, nopeimman pisteen ja kokonaislevikin kunkin tiedot ovat tärkeitä.
Termoparien kalibrointi, sijoittelu ja jatkuvuus ovat myös merkityksellisiä. Epäuskottavat lukemat tai anturiviat tulisi huomauttaa eikä hiljaisesti keskiarvoistaa käyrään.
Tomorrow.bio:n kolmivaiheinen lämpötilaohjelma
Nykyinen protokolla koostuu kolmesta selkeästä vaiheesta. Arvot ovat tämän laitteen ja kryoprotektiivisen lähestymistavan toimintatavoitteita, eivät universaaleja vakioita jokaista vitrifiointijärjestelmää varten.
1. Laske nopeasti kohti -130°C
Ensimmäinen vaihe siirtää potilaan kuivajään lämpötilasta noin -130°C nopeasti, kuin mitä mitattu lämpötilaero turvallisesti sallii.
Nopeus on tärkeää tässä, koska suojaamattomat alueet voivat vielä muodostua jäätä ennen kuin kudos muuttuu lasimaiseksi.
Tietokone ei seuraa pelkästään kulunutta aikaa. Se tarkkailee termopareja ja säätää potilaan ympärillä olevan jäähdytysympäristön.
2. Salli kontrolloitu takaisinlämpeneminen kohti -120°C
Kun olet saavuttanut noin -130°C, aktiivinen jäähdytys vähennetään ja potilaalle annetaan lämmetä luonnollisesti noin -120°C:een.
Tämä on hehkutuksen vaihe. Tg:n lähellä kryosuojattu materiaali säilyttää riittävästi molekyyliliikkuvuutta, jotta osa kertyneestä mekaanisesta jännityksestä voi purkautua.
Tämä rebound antaa lämpimämmille ja kylmemmille alueille aikaa lähentyä toisiaan ennen kuin materiaali viedään syvemmälle jäykkään lasimaisen olotilan tilaan.
Hehkutuksella ei korjata olemassa olevaa biologista vahinkoa. Sen tarkoitus on suppeampi: vähentää lämpötilaeroja ja niistä aiheutuvia jännityksiä epätasaisen supistumisen vuoksi.
Noin 3. Laske -196°C:een noin 1°C tunnissa
Noin -120°C:sta lähtien tavoitejäähdytysnopeus on noin 1°C tunnissa, kunnes potilas saavuttaa nestemäisen typen lämpötilan.
Tuo viimeinen 76 asteen väli kestää karkeasti kolme päivää, ennen kuin pidot ja säätömuutokset lasketaan mukaan.
Ylläpitäminen 1°C tunnissa suuressa, lämpötilaltaan epähomogeenisessa kappaleessa on hallintatehtävä, ei pelkkä ajastimen asetus.
Ohjaimen on jatkuvasti säädettävä dewarin ympäristöä niin, että sisäiset termoparit laskevat yhdessä ilman liiallisten lämpötilaerojen syntymistä.
Kun yksi alue jää jälkeen, ympäristön pakottaminen kylmemmäksi voi ylijäähdyttää toisen alueen. Tarkkuus tarkoittaa koko sensorikentän tasapainottamista, ei yhden lukeman takaa-ajoa.
Miksi hehkutuksen vaihe on tieteellisesti uskottava
Suurmittaisen vitrifioinnin tutkimus tunnistaa kaksi kilpailevaa vika-aluetta: riittämätön jäähdytys Tg:n yläpuolella ja liiallinen mekaaninen jännitys Tg:n ympärillä ja alapuolella.
Tutkimus2024 ihmiselimen mittakaavan vitrifiointitutkimus käytti useita sisäisiä antureita ja päätyi siihen, että hehkutuksella vähennetään lämpötilaeroja ennen kuin materiaali siirtyy lasimaiseen tilaan.
Sama tutkimus havaitsi, että hidas jäähdytys hehkutusalueen alapuolella auttaa välttämään suurten lämpötilaerojen ja jännitysten uudelleen rakentumista.
Erikseen tehtytermomekaaninen tutkimus havaitsi, että hehkutuksella Tg:n lähellä muutetaan merkittävästi jäännösjännitystä ja heikennetään sen riippuvuutta edeltävästä jäähdytysnopeudesta.
Nämä tutkimukset tukevat taustalla olevaa hallintastrategiaa. Ne eivät kuitenkaan itsenäisesti validoi jokaista yksittäistä asetusarvoa Tomorrow.bio:n koko kehon protokollassa.
Koko ihmiskeho on suurempi ja heterogeenisempi kuin laboratorioissa käytettävät liuokset tai elimet. Suora lämpötilamittaus ja jäähdytyksen jälkeinen kuvantaminen ovat edelleen välttämättömiä.
Mitä tietokone tallentaa
Hyödyllinen tulos ei ole viesti, joka sanoo 'jäähdytys valmis'. Se on täydellinen aikasarja jokaisesta lämpötilakanavasta.
Tallenteen pitäisi näyttää nopeuksia, pidätyksiä, palautumisia, anturien välisiä gradientteja, ohjauslaitteen toimia, hälytyksiä ja mahdollisia poikkeamia suunnitellusta käyrästä.
Nämä tiedot muodostavat osankylmäkonservoinnin laadun arvioinnista.
Jäähdytyksen jälkeen standardoitu TT-kuvaus nestemäisessä typessä voi paljastaa kylmäsuojausaineen jakautumisen, jään, suuren mittakaavan muodonmuutokset ja murtumat, joita pelkkä lämpötiladata ei voi paljastaa.
Miksi pysähtyä nestemäisen typen lämpötilaan
Normaalissa ilmanpaineessa typpi kiehuu noin 77.34 kelvinissä, mikä vastaa noin -195.8°C, lähteenäNIST Chemistry WebBook.
Nestemäisen typen varastointi on passiivista. Riittävän nestemäärän pysyessä astiassa sen kiehumis-tasapaino ylläpitää vakaata kryogeenistä ympäristöä ilman mekaanista jäähdytystä.
Ohjattu laskeutuminen päättyy vasta, kun potilas on lämpötilaltaan valmis tähän vakaaseen tilaan. Varastointia ei käytetä jäähdytyksen korvikkeena.
Seuraavan vaiheen suunnittelu ja kompromissit käsitellään teoksessamodernit kryogeeniset dewaarit ja välilämpötilan varastointi.
Lyhyesti: Tomorrow.bio käyttää tietokoneohjattua jäähdytystä ja sisäisiä lämpötila-antureita. Prosessi jäähdyttää nopeasti lasittumisen lähellä, lievittää lämpöjännitystä, ja laskeutuu sitten hitaasti kohti -196°C.
Tutustu tähän käytännön työkaluun
Käytä interaktiivista työkalua tarkastelemaan tämän artikkelin kysymystä.
Lataa interaktiivinen työkalu...
Lisätietoja