Kryoprotektiiviperfuusion jälkeen potilasta ei yksinkertaisesti upoteta nestemäiseen typpeen.
Potilas käy läpi tietokoneohjatun lämpötilaohjelman, joka kestää useita päiviä. Potilaan sisäiset anturit osoittavat, jäähtyvätkö eri kehon alueet tasaisesti vai syntyykö niiden välille vaarallisia lämpötilaeroja.
Jäähdytyksen tekniset haasteet muuttuvat lämpötilan laskiessa. Alkuvaiheen jäähdytyksen tehtävä on rajoittaa jään muodostumista. Lasittumispisteen tuntumassa ja sen alapuolella tarkkuus ja lämpötilan tasaisuus muuttuvat tärkeämmiksi kuin nopeus.
Miksi jäähdytystä on ohjattava tarkasti
Kryoprotektantit pienentävät sitä jäähdytysnopeutta, joka tarvitaan jään muodostumisen välttämiseksi. Ne mahdollistavat sen, että vesipitoinen kudos siirtyy erittäin viskoosiin, lasimaiseen tilaan sen sijaan, että se jäätyisi laajalti kiteiseksi.
Lasittumislämpötila, jota merkitään Tg:llä, riippuu liuoksesta, sen pitoisuudesta ja mittausmenetelmästä. Se on lämpötila-alue, ei yksi yleispätevä biologinen raja-arvo.
Ihmisen kryosäilytyksen kannalta olennaisissa liuoksissa tämä alue on tavallisesti noin −120 °C ja −135 °C välillä.
Tämän alueen yläpuolella liian hidas jäähdytys voi käynnistää jäätymisen ja mahdollistaa jään kasvun. Sen alapuolella materiaali käyttäytyy yhä enemmän hauraan kiinteän aineen tavoin.
Jos pinta jäähtyy huomattavasti nopeammin kuin keskusta, eri alueet supistuvat eri määrän. Näin syntyvä lämpömekaaninen jännitys voi aiheuttaa halkeamia.
Tästä seuraa tarkka tasapainottelutarve: ennen lasittumista jäähdytyksen on oltava riittävän nopeaa, ja sen jälkeen lämpötilaeroja sekä jäähdytysnopeutta on hallittava, kun potilas siirtyy lasimaiseen tilaan.
Katso jäätymisen ja lasittumisen ero, jossa käsitellään taustalla olevaa faasikäyttäytymistä.
Ensimmäisen sukupolven jäähdytyslaite
Tomorrow.bio:n ensimmäisen sukupolven järjestelmä, V1-jäähdytyslaite, muodosti perustan koko kehon hallitulle jäähdytykselle.
Potilas asetetaan tähän tarkoitukseen suunniteltuun eristettyyn kammioon. Tietokone ohjaa kammion kryogeenistä ympäristöä, ja termoparit mittaavat lämpötiloja useista kohdista.
Ohjausjärjestelmä noudattaa ennalta ohjelmoitua käyrää sen sijaan, että se jäähdyttäisi jatkuvasti täydellä teholla. Kaikkien antureiden lukemat tallennetaan osaksi potilaan lämpötilahistoriaa.
Tämä eroaa perustavanlaatuisesti suoraan nestemäiseen typpeen upottamisesta. Laite voi hidastaa jäähdytystä, pitää lämpötilan ennallaan tai muuttaa kammion olosuhteita potilaan mitattujen lämpötilojen perusteella.
Toisen sukupolven Dewar-pohjainen järjestelmä
Tomorrow.bio:n toisen sukupolven ratkaisussa hallittu jäähdytys tehdään tätä tarkoitusta varten suunnitellussa Dewar-astiassa.
Potilas pysyy Dewar-astian sisällä koko jäähdytyksen ajan, ja erikoiskanteen on integroitu jäähdytyslaitteisto, tietokoneohjaus, venttiilit, anturiliitännät ja termoparien läpiviennit.
Termoparit sijoitetaan useisiin kohtiin potilaan sisällä. Lisäanturit seuraavat Dewar-astian sisäistä lämpöympäristöä.
Järjestelmä seuraa siis muutakin kuin asetettua tavoitelämpötilaa. Se mittaa, miten nopeasti potilaan eri alueiden lämpötilat muuttuvat.
Tietokone säätää Dewar-astian lämpötilaa ja jäähdytysnopeutta niin, että mittausarvot pysyvät protokollan sallimissa rajoissa.
Suuri keho ei voi jäähtyä täysin tasalämpöisesti. Käytännön tavoitteena on pitää lämpötilaerot mahdollisimman pieninä ja estää sitä, että jokin mitattu alue jäähtyy vaarallisen paljon muita nopeammin tai hitaammin.
Dewar-astian muoto myös vähentää potilaan käsittelyä hallitun jäähdytyksen ja kryogeenisen säilytyksen välillä. Sama suljettu tila voi tarjota potilaalle vakaan ja mahdollisimman tasaisen lämpöympäristön.
Asetettu lämpötila ei ole potilaan lämpötila
Ohjausjärjestelmä pystyy jäähdyttämään ympäristön nopeasti. Se ei pysty saamaan ihmiskehon keskustaa vastaamaan tuota lämpötilaa hetkessä.
Lämmön on siirryttävä syvistä kudoksista kohti kehon pintaa. Kehon muoto, kudoskoostumus, kryoprotektanttien jakautuminen ja anturien sijainti vaikuttavat kaikki havaittuun viiveeseen.
Tästä syystä yksi kammioanturi ei riitä. Se, että ympäristön lämpötila on nimellisesti −130 °C, ei todista, että potilaan kaikki mitatut osat ovat saavuttaneet −130 °C.
Ohjausjärjestelmän on otettava huomioon sekä absoluuttinen lämpötila että kanavien väliset erot. Hitain ja nopein mittauspiste sekä mittausarvojen kokonaisvaihtelu kuvaavat jäähdytyksen tasaisuutta eri tavoin.
Termoparien kalibrointi, sijoittelu ja toimintavarmuus ovat myös tärkeitä. Epäuskottavat lukemat ja anturiviat on tunnistettava, eikä niitä pidä sisällyttää huomaamatta mittauskäyrän keskiarvoihin.
Tomorrow.bio:n kolmivaiheinen lämpötilaohjelma
Nykyinen protokolla jakautuu kolmeen erilliseen vaiheeseen. Arvot ovat käytössä olevan laitteiston ja kryoprotektiivisen menetelmän tavoitearvoja, eivät yleispäteviä vakioita kaikille lasitusjärjestelmille.
1. Nopea lasku kohti −130 °C
Ensimmäisessä vaiheessa potilas jäähdytetään kuivajään lämpötilasta kohti noin −130 °C:ta niin nopeasti kuin mitattu lämpötilaero turvallisesti sallii.
Nopeus on tässä vaiheessa tärkeää, koska heikommin kryoprotektanteilla suojatuilla alueilla voi muodostua jäätä ennen kuin kudos muuttuu lasimaiseksi.
Tietokone ei seuraa vain kulunutta aikaa. Se tarkkailee termopareja ja säätää potilaan ympäristön lämpötilaa niiden perusteella.
2. Hallittu lämpötilan nousu kohti −120 °C
Kun potilas on saavuttanut noin −130 °C:n, aktiivista jäähdytystä vähennetään, jolloin potilaan lämpötilan annetaan nousta kohti noin −120 °C:ta.
Tämä on lämpökäsittelyvaihe. Tg:n tuntumassa kryoprotektoitu materiaali säilyttää riittävän molekyylitason liikkuvuuden, jotta osa kertyneestä mekaanisesta jännityksestä pääsee purkautumaan.
Lämpötilan nousu antaa myös lämpimämmille ja kylmemmille alueille aikaa tasoittua ennen kuin materiaali jäähdytetään syvemmälle jäykkään lasimaiseen tilaan.
Lämpökäsittely ei korjaa aiemmin syntynyttä biologista vauriota. Sen tehtävä on kuitenkin rajallinen: pienentää lämpötilaeroja ja epätasaisen kutistumisen aiheuttamia jännityksiä.
3. Lasku −196 °C:seen noin 1 °C tunnissa
Noin −120 °C:sta lähtien tavoitteena on laskea lämpötilaa noin 1 °C tunnissa, kunnes potilas saavuttaa nestemäisen typen lämpötilan.
Tämä viimeinen 76 asteen väli kestää karkeasti kolme päivää, vaikka pysähdyksiä ja ohjausjärjestelmän säätöjä ei laskettaisi mukaan.
1 °C tunnissa pitäminen suuressa, lämpötilaltaan epäyhtenäisessä kehossa on ohjaustekninen haaste, ei vain ajastimen asetus.
Ohjausjärjestelmän on säädettävä Dewar-astian ympäristöä jatkuvasti, jotta sisäisten termoparien mittaamat lämpötilat laskevat samaa tahtia ilman liian suuria lämpötilaeroja.
Kun yksi alue jää jälkeen, ympäristön pakottaminen kylmemmäksi voi jäähdyttää jonkin toisen alueen liikaa. Tarkkuus tarkoittaa koko anturiverkoston mittausten tasapainottamista, ei yhden mittausarvon optimointia.
Miksi lämpökäsittelyvaihe on tieteellisesti perusteltu
Lasittumista käsittelevässä tutkimuksessa on tunnistettu kaksi keskenään kilpailevaa riskivyöhykettä: riittämättömän jäähdytyksen riski Tg:n yläpuolella ja liiallisen mekaanisen jännityksen riski Tg:n tuntumassa ja sen alapuolella.
Vuonna 2024 julkaistussa ihmisen elimen kokoluokassa tehdyssä lasitustutkimuksessa käytettiin useita sisäisiä antureita, ja tutkimuksessa pääteltiin, että lämpökäsittely pienentää lämpötilaeroja ennen materiaalin siirtymistä lasimaiseen tilaan.
Samassa tutkimuksessa havaittiin, että hidas jäähdytys lämpökäsittelyalueen alapuolella auttaa estämään suurten lämpötilaerojen ja jännitysten muodostumisen uudelleen.
Erillinen lämpömekaaninen tutkimus osoitti, että Tg:n tuntumassa tehty lämpökäsittely muuttaa merkittävästi jäännösjännitystä ja vähentää jäännösjännityksen riippuvuutta edeltävästä jäähdytysnopeudesta.
Nämä tutkimukset tukevat käytettyä ohjausstrategiaa. Ne eivät itsenäisesti vahvista Tomorrow.bio:n koko kehon protokollan kaikkia yksittäisiä tavoitearvoja.
Ihmiskeho on suurempi ja epäyhtenäisempi kuin laboratorioliuokset tai yksittäiset elimet. Suorat lämpötilamittaukset ja jäähdytyksen jälkeinen kuvantaminen ovat siksi edelleen tarpeen.
Mitä tietokone tallentaa
Hyödyllinen tulos ei ole pelkkä ilmoitus siitä, että jäähdytys on valmis. Se on täydellinen aikasarja jokaisesta lämpötilakanavasta.
Tallenteesta tulee ilmetä jäähdytysnopeudet, pysähdykset, lämpötilan nousut, antureiden väliset erot, ohjausjärjestelmän toimenpiteet, hälytykset ja kaikki poikkeamat suunnitellusta lämpötilakäyrästä.
Näistä tiedoista muodostuu osa kryosäilytyksen laadunarviointia.
Jäähdytyksen jälkeen voidaan tehdä nestemäisen typen lämpötilassa standardoitu tietokonetomografia, joka voi paljastaa kryoprotektanttien jakautumisen, jään, suuret vauriot ja murtumat, joita pelkkä lämpötiladata ei osoita.
Miksi jäähdytys päätetään nestemäisen typen lämpötilaan
Normaalissa ilmanpaineessa typpi kiehuu noin 77,34 kelvinin lämpötilassa, noin −195,8 °C:ssa, NIST Chemistry WebBookin mukaan.
Nestemäisen typen säilytys on passiivista. Niin kauan kuin säiliössä on riittävästi nestettä, kiehumistasapaino ylläpitää vakaata kryogeenistä ympäristöä ilman mekaanista jäähdytystä.
Hallittu jäähdytys päättyy vasta, kun potilaan lämpötila on riittävän tasainen ja hänet voidaan siirtää tähän vakaaseen tilaan. Säilytystä ei käytetä jäähdytyksen korvikkeena.
Seuraavan vaiheen suunnittelua ja siihen liittyviä kompromisseja käsitellään artikkelissa Nykyaikaiset kryogeeniset Dewar-astiat ja välilämpötilasäilytys.
Tiivistettynä: Tomorrow.bio käyttää tietokoneohjattua jäähdytystä ja sisäisiä lämpöantureita. Prosessissa jäähdytetään nopeasti lasittumislämpötilan läheisyyteen, puretaan lämpöjännityksiä ja jäähdytetään sitten hitaasti kohti −196 °C.
Tutustu tähän käytännön työkaluun
Käytä interaktiivista työkalua tarkastelemaan tämän artikkelin kysymystä.
Ladataan interaktiivista työkalua...
Lisää aiheesta