Vispirms jāuzdod pamatjautājums: ko mēs patiesībā cenšamies panākt, krioprezervējot cilvēku? Atbilde nav padarīt viņu aukstu. Aukstums ir metode, nevis mērķis. Mērķis ir bioloģiskos procesus palēnināt tik ļoti, lai praktiski nebūtu nozīmes, vai cilvēks tiek uzglabāts vienu gadu vai desmit tūkstošiem gadu. No šīs prasības izriet gandrīz viss pārējais, arī virsrakstā minētā temperatūra.
Tāpēc būtiskais jautājums nav, kāpēc nepieciešama tik zema temperatūra, bet gan cik zema tai jābūt, lai ķīmiskie procesi kļūtu praktiski nenozīmīgi. Šo robežu nosaka krioprotektora šķīduma stiklošanās temperatūra, kas ir apmēram -130°C. Zem šīs temperatūras molekulārā kustība kļūst ārkārtīgi ierobežota, vielmaiņas un citi ķīmiskie procesi norit tik lēni, ka praktiski vairs nerada bojājumus. -196°C nav šī robeža. Tā ir šķidrā slāpekļa vārīšanās temperatūra, kas ir ievērojami zemāka par šo robežu un tiek uzturēta dabiski, bez aktīvas dzesēšanas.
Sadalīšanās ir vienkārši ķīmija, kas vēl nav apstājusies
Runājot par ķermeņa sadalīšanos, runa būtībā ir par ķīmiskajiem procesiem: enzīmi noārda molekulas, norit reakcijas un vairojas mikroorganismi. Katram no šiem procesiem molekulām jākustas un jāsaduras. Palēninot kustību, palēninās ķīmija. Ja šos procesus palēnina pietiekami stipri, praktiskā nozīmē bioloģiskais laiks apstājas.
Šeit noderīga viena vienkārša likumsakarība. Aptuveni ņemot, temperatūras kritums par 10°C samazina tipiskas reakcijas ātrumu apmēram divas reizes. Tas var nešķist iespaidīgi, līdz šis efekts atkārtojas daudzkārt. Pazeminot temperatūru no ķermeņa temperatūras līdz dziļam aukstumam, sadalīšanās ātrums samazinās nevis divas vai desmit reizes, bet daudzkārtīgi vairāk. cīņa ar šūnu bojāeju, kas sākas pēc sirds apstāšanās, būtībā ir centieni pēc iespējas ātrāk pazemināt temperatūru līdz līmenim, kurā šie procesi vairs nav būtiski.
Ledus kristāli bojā audus, savukārt stiklveida stāvoklis palīdz šo bojājumu novērst.
Varētu šķist, ka pietiek cilvēku vienkārši sasaldēt. Tā nav, un ūdens ir tam iemesls. Taču tieši ūdens sasalšanas laikā rada problēmas: tas izplešas, bet augošie ledus kristāli var saplēst šūnu membrānas un bojāt smalkas audu struktūras. Kristāli nav vienīgā problēma. Tīram ūdenim kristalizējoties, atlikušie sāļi un citas izšķīdušās vielas koncentrējas sarūkošajā šķidruma kabatā. Šūnas šādā arvien koncentrētākā šķīdumā zaudē ūdeni un cieš no osmotiskiem bojājumiem. Šādā gadījumā šūnas var tikt bojātas arī bez tiešas ledus kristālu iedarbības. Cilvēka sasaldēšana tā, kā sasaldē steiku, būtu efektīvs veids, kā iznīcināt tieši to, ko gribam saglabāt.
Risinājums šai problēmai ir vitrifikācija. Lielu daļu ūdens audos aizstāj ar krioprotektoriem, kas darbojas līdzīgi antifrīzam, un audus atdzesē tā, lai neveidotos ledus kristāli. Tā vietā audi pāriet stiklveida stāvoklī, kurā neveidojas ledus kristāli un līdz ar to nerodas to izraisītie strukturālie bojājumi. Vitrificēti audi ir sasaluši ikdienas izpratnē, tas ir, ļoti auksti un cieti, bet nav sasaluši tajā destruktīvajā, kristālus veidojošajā nozīmē. Tieši šī atšķirība ir vitrifikācijas pamatā.
Skaitlis, kas patiešām ir svarīgs, ir apmēram -130°C
Te ir svarīga nianse: galvenā temperatūras robeža nav -196°C. Tā ir stiklošanās temperatūra, apmēram -130°C, zem kuras vitrificētais stāvoklis kļūst stabils. Virs šīs robežas stiklveida stāvoklis var pakāpeniski zaudēt stabilitāti. Turklāt var sākties rekristalizācija. Rekristalizācija nozīmē ledus kristālu veidošanos pēc vitrifikācijas. Zem tā molekulārā kustība ir kritusies tik zemu, ka struktūra vienkārši noturas.
Ja stiklveida stāvoklis kļūst stabils pie -130°C, kāpēc temperatūru pazemina līdz -196°C? Iemesls ir tāds pats kā sadzīves saldētavai: nepietiek iestatīt temperatūru tieši uz 0°C, jo nepieciešama drošības rezerve. Uzglabājot audus vairāk nekā 60 grādus zem stiklošanās temperatūras, tie atrodas drošā diapazonā, kur stiklveida stāvoklis nevar zaudēt stabilitāti un ledus kristālu veidošanās risks ir ļoti mazs. Tas nodrošina nevis tikai nosacītu stabilitāti, bet ievērojamu drošības rezervi gadījumiem, kad uzglabāšanas apstākļi īslaicīgi pasliktinās.
Kāpēc tieši -196? Daba mums dāvina bezmaksas termostatu.
Temperatūra -196°C nav izvēlēta patvaļīgi. Tā ir šķidrā slāpekļa vārīšanās temperatūra, un tieši šī īpašība padara to īpaši piemērotu ilgtermiņa uzglabāšanai.
Vāroša šķidruma temperatūra pie noteikta spiediena saglabājas nemainīga. Kamēr tvertnē ir šķidrais slāpeklis, tās saturs saglabājas ap -196°C, ja vien tvertne ir pienācīgi izolēta. Tas ir pašregulējošs termostats bez kustīgām detaļām, bez kompresora un, kas vissvarīgāk, bez vajadzības pēc elektrības. Pacientus un paraugus glabā vakuumizolētos Djūāra traukos, kas darbojas līdzīgi termosiem un būtiski palēnina siltuma pieplūdi no apkārtējās vides. Vienīgais regulārais uzdevums ir papildināt iztvaikojušo šķidro slāpekli. Turpretī mehānisks saldētājs pārstāj darboties, tiklīdz pazūd elektrība. Šķidrā slāpekļa uzglabāšanas princips nav atkarīgs no elektrotīkla darbības.
Slāpeklis turklāt ir lēts, plaši pieejams (tas veido lielāko daļu gaisa, kuru šobrīd ieelpojat), inerts un nedegošs. Ja būtu jāizvēlas viela ilgtermiņa uzglabāšanas dzesēšanai, šķidro slāpekli būtu grūti pārspēt, jo to iegūst no atmosfēras.
Kāda ir tik zemas temperatūras cena
Pasīvai uzglabāšanai šķidrajā slāpeklī ir arī trūkums. No stiklošanās temperatūras līdz -196°C ir vēl sešdesmit seši grādi dzesēšanas, un vitrificētais materiāls šajā temperatūras diapazonā turpina sarauties. Šajā stāvoklī materiāls jau ir trausls, tādēļ tajā radušies spriegumi nevar viegli izlīdzināties. Tas rada mehānisko spriegumu, un pēc noteikta sliekšņa materiāls šo spriegumu atbrīvo, ieplaisājot.
Šo efektu var atkārtot laboratorijā. Vitrificētos krioprotektora šķīdumos plaisāšanu izraisa termiskā saraušanās un temperatūras atšķirības, kas rodas lielu objektu straujas dzesēšanas laikā. Šķīdumi ar augstāku stiklošanās temperatūru plaisā mazāk, jo pēc pārejas stiklveida stāvoklī tos nepieciešams dzesēt mazākā temperatūras intervālā.
Vissarežģītākais gadījums ir vesels ķermenis. Plaisāšana parasti sākas zem stiklošanās temperatūras. Ja krioprotektora perfūzija ir veikta nepietiekami kvalitatīvi, plaisāšana var sākties jau pie -90°C. Plaisas var būt redzamas ar neapbruņotu aci vai arī mikroskopiskas. Plaisa atdala audus pa noteiktu virsmu, nesajaucot to struktūras, tomēr katra plaisa ir bojājums, kas hipotētiskā atjaunošanas procesā būtu jānovērš.
Pašlaik galvenais risinājums ir lēna, kontrolēta dzesēšana. Visa atdzesēšana ilgst gandrīz nedēļu. Lēnākais posms ir temperatūras pazemināšana līdz stiklošanās temperatūrai un zem tās, ko datorvadītā režīmā veic ar ātrumu aptuveni viens grāds stundā. Lēnāka dzesēšana nozīmē mazākus gradientus, un mazāki gradienti nozīmē mazāku spriegumu.
Starpposma temperatūras uzglabāšana
Labāka atbilde ir apturēt dzesēšanu agrāk. Starpposma temperatūras uzglabāšanā pacientu glabā apmēram -140°C, nevis -196°C temperatūrā. Tā joprojām ir desmit grādus zem stiklošanās temperatūras, nevis sešdesmit sešus, tādēļ molekulārā kustība ir ļoti ierobežota, bet materiālam jāiztur ievērojami mazāka saraušanās.
Šis risinājums tehniski ir pasīvs. Šķidrā slāpekļa rezervuārs atrodas Djūāra trauka apakšā, bet pacients tiek glabāts aukstos tvaikos virs tā, uzturot tvaiku telpā vajadzīgo temperatūru. Šādai sistēmai nav vajadzīgs kompresors, un tā nav atkarīga no elektrotīkla, kas ir būtiska šķidrā slāpekļa uzglabāšanas priekšrocība.
Pirmais cilvēka izmēra ITS (starpposma temperatūras uzglabāšanas) Djūāra trauks tiks piegādāts European Biostasis Foundation objektam Šveicē 2026. gada augustā. Pirmais uzdevums būs noskaidrot tā faktisko šķidrā slāpekļa patēriņu, jo tas noteiks pacienta uzglabāšanas izmaksas ilgā laika periodā. ITS netiek piedāvāts biedriem, kamēr šīs izmaksas nav zināmas.
Kas tur, dziļajā aukstumā, patiesībā saglabājas
Pie -196°C bioloģiskie procesi norit ārkārtīgi lēni. Enzīmu aktivitāte kļūst niecīga, mikroorganismi nespēj vairoties, un spontānas reakcijas, kas citkārt bojātu audus, praktiski nenotiek. Ķermeņa un īpaši smadzeņu molekulārā struktūra saglabājas ļoti maz izmainīta.
Tieši struktūras saglabāšana ir vissvarīgākais aspekts. Biostāzes pamatā ir pieņēmums, ka personības un atmiņu fiziskais pamats ir smadzeņu struktūrā, īpaši neironu savienojumos un to organizācijā, kas ir biostāzes pamatā tam, kas padara jūs par jums. Šī tēma aplūkota rakstā “Atmiņa, identitāte un smadzenes”. Saglabājot šo struktūru iespējami nemainīgu, teorētiski tiek saglabāta arī tajā ietvertā informācija, lai gan tehnoloģija tās nolasīšanai un funkciju atjaunošanai pašlaik nepastāv. Aukstums nav brīnumlīdzeklis. Aukstums ļauj iespējami ilgi saglabāt bioloģisko informāciju, cerot uz nākotnes tehnoloģiju attīstību.
Nekam no šī nav nepieciešama nevainojama iekārta vai nepārtraukta elektrības piegāde. Nepieciešams ir stiklveida stāvoklis, nevis ledus, un temperatūra, kas droši atrodas zem stiklošanās temperatūras. Nepieciešams arī šķidrums, kura vārīšanās temperatūra dabiski uztur vajadzīgo temperatūras diapazonu. Tā ir -196°C priekšrocība: šajā temperatūrā krioprezervēts cilvēks var ilgstoši glabāties pašlaik pieejamajā drošākajā pasīvajā sistēmā.
Kopsavilkumā: Pacienti tiek uzglabāti tuvu -196°C, jo šķidrais slāpeklis dabiski notur tieši šo temperatūru. Molekulārās reakcijas kļūst ārkārtīgi lēnas, un uzglabāšana nav atkarīga no nepārtrauktas elektrības darbinātas dzesēšanas.
Izpētiet šo praktisko rīku
Izmantojiet interaktīvo rīku, lai izpētītu šajā rakstā minēto jautājumu.
Notiek interaktīvā rīka ielāde...
Papildu lasāmviela