Pēc krioprotektantu perfūzijas pacientu neievieto šķidrajā slāpeklī.
Pacienta atdzesēšanu vairākas dienas vada datorizēta temperatūras programma. Sensori pacienta ķermenī ļauj novērtēt, vai dažādas ķermeņa daļas atdziest vienmērīgi un vai starp tām neveidojas bīstamas temperatūras atšķirības.
Dzesēšanas gaitā mainās procesa tehniskie uzdevumi. Sākotnējai dzesēšanai jāierobežo ledus veidošanās. Stiklošanās pārejas temperatūras tuvumā un zem tās svarīgāka par dzesēšanas ātrumu kļūst precīza procesa vadība un vienmērīgs temperatūras sadalījums.
Kāpēc dzesēšanai nepieciešama kontrole
Krioprotektanti samazina dzesēšanas ātrumu, kas vajadzīgs, lai novērstu ledus veidošanos. Tie ļauj ūdeni saturošajiem audiem pāriet ļoti viskozā, stiklveida stāvoklī, nevis veidot plašus ledus kristālus.
Stiklošanās pārejas temperatūra, ko apzīmē ar Tg, ir atkarīga no šķīduma sastāva, koncentrācijas un mērīšanas metodes. Tā ir temperatūru josla, nevis viens konkrēts bioloģisks slieksnis.
Cilvēka krioprezervācijā izmantotajiem šķīdumiem šī temperatūru josla parasti ir no -120°C līdz -135°C.
Virs šīs temperatūru joslas pārāk lēna dzesēšana var veicināt ledus kristalizācijas centru veidošanos un augšanu. Zem šīs temperatūru joslas materiāls arvien vairāk iegūst trausla cietvielas stāvokļa īpašības.
Ja ķermeņa virsma atdziest ievērojami ātrāk nekā centrs, dažādas tā daļas saraujas atšķirīgā mērā. Šādas nevienmērīgas saraušanās radītais termomehāniskais spriegums var izraisīt plaisāšanu.
Tādēļ process jāvada šādi: pirms vitrifikācijas jāatdzesē pietiekami ātri, bet pēc tam jākontrolē temperatūras atšķirības un dzesēšanas ātrums, kamēr pacienta audi pāriet stiklveida stāvoklī.
Plašāk par fāžu pārejām lasiet sadaļā “Atšķirība starp sasaldēšanu un vitrifikāciju”.
Pirmās paaudzes dzesēšanas kamera
Tomorrow.bio pirmās paaudzes sistēma, V1 dzesēšanas kamera, izveidoja pamatu kontrolētai visa ķermeņa atdzesēšanai.
Pacients tiek novietots speciālā izolētā kamerā. Dators regulē temperatūru kamerā, bet termopāri to mēra vairākos punktos.
Vadības sistēma ievēro iepriekš iestatītu temperatūras līkni, nevis nepārtraukti dzesē ar maksimālu intensitāti. Katra sensora rādījumi tiek reģistrēti kā daļa no pacienta temperatūras vēstures.
Tas būtiski atšķiras no pacienta tiešas iegremdēšanas šķidrajā slāpeklī. Iekārta var palēnināt vai apturēt dzesēšanu un mainīt apstākļus kamerā atbilstoši pacienta temperatūras rādījumiem.
Otrās paaudzes sistēma ar dziļā aukstuma tvertni
Tomorrow.bio otrās paaudzes sistēmā kontrolētā atdzesēšana notiek šim nolūkam īpaši izveidotā kriogēnā tvertnē.
Pacients paliek tvertnē, kuras specializētajā vākā integrēta dzesēšanas aparatūra, datorvadības sistēma, vārsti, sensoru savienojumi un termopāru izvadi.
Termopāri ir novietoti vairākās vietās pacienta ķermenī. Papildu sensori uzrauga termisko vidi tvertnē.
Tādēļ sistēma reģistrē ne tikai iestatīto temperatūru. Tā uzrāda, cik ātri uz dzesēšanu reaģē dažādas mērītās pacienta ķermeņa daļas.
Dators pielāgo temperatūru tvertnē un tās pazemināšanas ātrumu, lai rādījumi saglabātos protokolā noteiktajās robežās.
Dzesēšanas laikā liela ķermeņa temperatūra visos punktos nevar būt pilnīgi vienāda. Praktiskais mērķis ir samazināt temperatūras atšķirības un nepieļaut, ka kāda mērītā ķermeņa daļa atdziest bīstami lēnāk vai ātrāk par citām.
Tvertnes forma arī samazina pacienta pārvietošanu starp kontrolēto atdzesēšanu un kriogēno glabāšanu. Viena un tā pati slēgtā tvertne var nodrošināt stabilu un vienmērīgu temperatūras vidi ap pacientu.
Iestatītā temperatūra nav pacienta temperatūra
Vadības sistēma var ātri pazemināt temperatūru apkārtējā vidē. Taču tā nevar panākt, lai ķermeņa centrālā daļa nekavējoties sasniegtu tādu pašu temperatūru.
Siltumam no dziļākajiem audiem pakāpeniski jānokļūst līdz ķermeņa virsmai. Novēroto temperatūras nobīdi ietekmē ķermeņa forma un sastāvs, krioprotektantu sadalījums audos, kā arī sensoru izvietojums.
Tāpēc viens sensors kamerā nav pietiekams. Apkārtējās vides nominālā temperatūra -130°C vēl nepierāda, ka katrā mērītajā pacienta ķermeņa daļā ir sasniegti -130°C.
Kontroles sistēmai jāņem vērā gan absolūtā temperatūra, gan atšķirība starp kanāliem. Svarīga informācija ir gan par vislēnāk atdziestošo un visātrāk atdziestošo punktu, gan par kopējām temperatūras atšķirībām.
Svarīga ir arī termopāru kalibrācija, izvietojums un nepārtrauktība. Mazticami rādījumi vai sensoru kļūmes ir jāatzīmē, nevis nepamanīti jāiekļauj vidējā temperatūras līknē.
Tomorrow.bio trīspakāpju temperatūras programma
Pašreizējam protokolam ir trīs atšķirīgas fāzes. Šīs vērtības ir orientieri konkrētajai aparatūrai un krioprotekcijas metodei, nevis universālas konstantes visām vitrifikācijas sistēmām.
1. Straujš kritums līdz -130°C
Pirmajā fāzē pacienta temperatūru pazemina no sausā ledus temperatūras līdz aptuveni -130°C tik ātri, cik to droši pieļauj temperatūras atšķirības starp mērījumu punktiem.
Ātrums šajā fāzē ir svarīgs, jo nepietiekami aizsargātos apgabalos ledus var veidoties, pirms audi sasniedz stiklveida stāvokli.
Dators nevadās tikai pēc pagājušā laika. Tas uzrauga termopāru rādījumus un attiecīgi regulē temperatūru pacienta apkārtnē.
2. Kontrolēta atkāpšanās līdz -120°C
Kad sasniegti aptuveni -130°C, aktīvo dzesēšanu samazina, ļaujot pacientam dabiski sasilt līdz aptuveni -120°C.
Šo posmu sauc par izturēšanas fāzi. Tg tuvumā ar krioprotektantiem apstrādātais materiāls vēl saglabā pietiekamu molekulāro kustīgumu, lai daļa uzkrātā mehāniskā sprieguma mazinātos.
Šis temperatūras paaugstinājums dod laiku siltākajām un aukstākajām ķermeņa daļām sasniegt līdzīgāku temperatūru, pirms materiāls tiek dzesēts dziļāk stiklveida stāvoklī.
Izturēšanas fāze nenovērš jau radušos neatgriezeniskus bioloģiskus bojājumus. Tās mērķis ir šaurāks: mazināt temperatūras gradientus un spriegumus, kas radušies no nevienmērīgas saraušanās.
3. Kritums līdz -196°C ar aptuveni 1°C stundā
No aptuveni -120°C temperatūru turpina pazemināt par apmēram 1°C stundā, līdz pacients sasniedz šķidrā slāpekļa temperatūru.
Šā pēdējā 76 grādu temperatūras intervāla veikšanai nepieciešamas apmēram trīs dienas, pat neņemot vērā iespējamās apturēšanas un vadības korekcijas.
Lielā ķermenī ar nevienmērīgu temperatūras sadalījumu uzturēt dzesēšanas tempu 1°C stundā ir sarežģīts vadības uzdevums, nevis vienkāršs laika releja iestatījums.
Vadības sistēmai pastāvīgi jāpielāgo temperatūra tvertnē, lai dažādos iekšējo termopāru mērījumu punktos temperatūra pazeminātos iespējami vienmērīgi un neveidotos pārmērīgas atšķirības.
Ja kāda ķermeņa daļa atdziest lēnāk, straujāka apkārtējās vides dzesēšana var pārmērīgi atdzesēt citu daļu. Precīza vadība nozīmē līdzsvarot visu sensoru rādījumus, nevis tiekties pēc viena atsevišķa rādījuma.
Kāpēc izturēšanas fāze ir zinātniski pamatota
Liela mēroga vitrifikācijas pētījumos izšķir divus savstarpēji konkurējošus riskus: nepietiekamu dzesēšanu virs Tg un pārmērīgu mehānisko spriegumu Tg tuvumā un zem tās.
2024. gada pētījumā par vitrifikāciju cilvēka orgāna mērogā tika izmantotas vairākas iekšējas zondes, un tajā secināts, ka izturēšanas fāze mazina temperatūras atšķirības, pirms materiāls sasniedz stiklveida fāzi.
Tas pats pētījums atklāja, ka lēna dzesēšana zem izturēšanas diapazona palīdz izvairīties no lielu gradientu un spriegumu atkārtotas veidošanās.
Citā atsevišķā termomehāniskā pētījumā konstatēts, ka izturēšanas fāze Tg tuvumā būtiski maina atlikušo spriegumu un mazina tā atkarību no iepriekšējā dzesēšanas ātruma.
Šie pētījumi pamato šādu procesa vadības stratēģiju. Tomēr tie atsevišķi neapstiprina katru precīzo Tomorrow.bio visa ķermeņa protokola iestatījumu.
Cilvēka ķermeņi ir lielāki un nevienmērīgāki nekā laboratorijas šķīdumi vai orgāni. Tāpēc nepieciešami tieši temperatūras mērījumu dati un attēldiagnostika pēc atdzesēšanas.
Ko dators fiksē
Būtiskākais rezultāts nav paziņojums “atdzesēšana pabeigta”. Būtisks ir pilns katra temperatūras mērījumu kanāla laika rindas ieraksts.
Ierakstā jābūt redzamiem dzesēšanas ātrumiem, apturēšanas reizēm, temperatūras paaugstinājumiem, atšķirībām starp sensoriem, vadības sistēmas darbībām, brīdinājumiem un jebkurām novirzēm no plānotās līknes.
Šie dati ir daļa no krioprezervācijas kvalitātes novērtējuma.
Pēc atdzesēšanas standartizēta CT izmeklēšana šķidrā slāpekļa temperatūrā var atklāt krioprotektantu sadalījumu, ledu, redzamas deformācijas un plaisas, ko vien temperatūras dati neuzrāda.
Kāpēc process noslēdzas šķidrā slāpekļa temperatūrā
Normālā atmosfēras spiedienā slāpeklis vārās aptuveni 77,34 kelvinos jeb apmēram -195,8°C temperatūrā, liecina NIST Chemistry WebBook.
Glabāšana šķidrajā slāpeklī ir pasīvs process. Kamēr tvertnē ir pietiekams šķidrā slāpekļa daudzums, tā vārīšanās temperatūra nodrošina stabilu kriogēnu vidi bez mehāniskas dzesēšanas.
Kontrolēto atdzesēšanu pabeidz tikai tad, kad pacienta temperatūra ir pielāgota šim stabilajam stāvoklim. Glabāšana nav aizstājējs atdzesēšanas procesam.
Nākamā posma risinājumi un kompromisi aplūkoti sadaļā “Mūsdienu kriogēnās tvertnes un glabāšana starptemperatūras režīmā”.
Kopsavilkums: Tomorrow.bio izmanto datorvadītu dzesēšanu un iekšējos temperatūras sensorus. Procesā temperatūru strauji pazemina līdz stiklošanās temperatūras tuvumam, mazina termisko spriegumu un pēc tam lēni turpina dzesēšanu līdz -196°C.
Izpētiet šo praktisko rīku
Izmantojiet interaktīvo rīku, lai izpētītu šajā rakstā minēto jautājumu.
Tiek ielādēts interaktīvais rīks...
Papildu lasāmviela