Pärast krüoprotektiivset perfusiooni ei asetata patsienti otsekohe vedelasse lämmastikku.
Patsient läbib arvutijuhitud temperatuuriprogrammi, mis kestab mitu päeva. Patsiendi kehasse paigutatud andurid näitavad, kas eri kehapiirkonnad jahtuvad ühtlaselt või tekivad nende vahel ohtlikud temperatuurierinevused.
Insenertehniline probleem muutub jahutuse käigus. Jahutuse algfaasis on peamine eesmärk piirata jääkristallide teket. Klaasistumispunkti lähedal ja sellest allpool muutuvad täpsus ja temperatuuri ühtlus kiirusest olulisemaks.
Miks on kontrollitud jahutus vajalik
Krüoprotektiivsed ained vähendavad jää vältimiseks vajalikku jahutuskiirust. Need võimaldavad veerikkal koel muutuda tugevalt viskoosseks, klaasjaks aineks, mitte ulatuslikult kristalliseeruda.
Klaasistumistemperatuur, mida tähistatakse Tg-ga, sõltub lahusest, selle kontsentratsioonist ja mõõtmismeetodist. Tegemist on temperatuurivahemikuga, mitte ühe universaalse bioloogilise piirväärtusega.
Inimese krüopreservatsioonis kasutatavate lahuste puhul jääb see vahemik tavaliselt -120 °C kuni -135 °C.
Sellest vahemikust kõrgemal võib liiga aeglane jahutus lubada jääkristallide tekkimist ja kasvamist. Sellest allpool käitub aine üha enam hapra tahke materjalina.
Kui pind jahtub tunduvalt kiiremini kui keha sisemus, tõmbuvad erinevad piirkonnad erineval määral kokku. Sellest tekkiv termomehaaniline pinge võib tekitada mõrasid.
Seega tuleb enne vitrifikatsiooni jahutada piisavalt kiiresti, kuid klaasistumise ajal tuleb temperatuurigradiente ja jahutuskiirust rangelt kontrollida.
Vaata külmutamise ja vitrifikatsiooni erinevust käsitlevat ülevaadet, mis selgitab protsessi aluseks olevat faasikäitumist.
Esimese põlvkonna jahutuskamber
Tomorrow.bio esimese põlvkonna süsteem V1-jahutuskamber lõi aluse kogu keha kontrollitud jahutamiseks.
Patsient asetatakse eraldi isoleeritud kambrisse. Arvuti juhib kambri krüogeenset keskkonda, samal ajal kui termopaarid mõõdavad temperatuuri mitmes kohas.
Kontroller järgib programmeeritud temperatuurikõverat ega rakenda pidevalt maksimaalset jahutust. Iga sensorikanal salvestatakse osana patsiendi termilisest ajaloost.
See erineb põhimõtteliselt patsiendi otsesest vedelasse lämmastikku sukeldamisest. Masin võib aeglustada, peatada või muuta kambri tingimusi vastavalt sellele, mis patsiendiga tegelikult toimub.
Teise põlvkonna Dewari anumal põhinev süsteem
Tomorrow.bio teise põlvkonna lahenduses toimub kontrollitud jahutus selleks otstarbeks ehitatud Dewari anumas.
Patsient jääb Dewari anumasse ning spetsiaalne kaas ühendab jahutusseadmed, arvutijuhtimise, klapid, andurite ühendused ja termopaaride läbiviigud.
Termopaarid on paigutatud mitmesse punkti patsiendi sees. Täiendavad andurid jälgivad temperatuurikeskkonda Dewari anumas.
Seetõttu jälgib süsteem enamat kui üksnes etteantud seadeväärtust. Süsteem näitab, kui kiiresti patsiendi eri mõõtepunktid temperatuurimuutusele reageerivad.
Arvuti kohandab Dewari anuma temperatuurigradienti ja jahutuskiirust, et mõõtetulemused püsiksid protokollis lubatud piirides.
Suure keha temperatuur ei saa jahutamise ajal olla kõikjal täiesti ühtlane. Praktiline eesmärk on hoida temperatuurierinevused võimalikult väikesed ja vältida olukorda, kus mõni mõõtepunkt jahtub teistest ohtlikult kiiremini või aeglasemalt.
Dewari kujundus vähendab ka käsitsemist kontrollitud jahutuse ja krüogeense säilitamise vahel. Sama suletud konstruktsioon tagab patsiendi ümber stabiilse ja võimalikult sümmeetrilise keskkonna.
Seadeväärtuse temperatuur ei ole patsiendi temperatuur
Kontroller suudab keskkonna kiiresti jahutada. Ent inimkeha sisemus ei saa sama temperatuuri saavutada kohe.
Soojus peab liikuma sügavamatest koekihtidest pinna poole. Täheldatavat viivitust mõjutavad keha kuju, kehakoostis, krüoprotektiivse aine jaotumine ning anduri asukoht.
Seetõttu ei piisa ühest kambrisensorist. Nominaalne -130 °C keskkond ei tõenda, et kõik patsiendi mõõdetud piirkonnad on jõudnud -130 °C-ni.
Juhtimissüsteem peab arvestama nii absoluutset temperatuuri kui ka erinevust kanalite vahel. Olulist teavet annavad nii kõige aeglasemalt kui ka kõige kiiremini jahtuv mõõtepunkt ning üldine temperatuurihälve.
Olulised on ka termopaaride kalibreerimine, paigutus ja ühenduste töökindlus. Ebatõenäolised näidud ja andurite rikked tuleb selgelt tähistada, mitte neid automaatselt temperatuurikõverasse keskmistada.
Tomorrow.bio kolmeetapiline temperatuuriprogramm
Praegusel protokollil on kolm eraldiseisvat faasi. Need väärtused on selle seadme ja krüoprotektiivse meetodi sihtväärtused, mitte universaalsed konstandid kõigi vitrifikatsioonisüsteemide jaoks.
1. Kiire langus -130 °C suunas
Esimeses faasis jahutatakse patsienti kuivjää temperatuurilt umbes -130 °C-ni nii kiiresti, kui mõõdetud temperatuurierinevused seda ohutult võimaldavad.
Kiirus on siin oluline, kuna alakaitstud piirkondades võib jää tekkida enne, kui kude muutub klaasjaks.
Arvuti ei järgi ainult möödunud aega. Ta jälgib termopaare ja kohandab patsiendi ümber olevat jahutuskeskkonda.
2. Kontrollitud tagasitõus -120 °C suunas
Pärast umbes -130 °C saavutamist vähendatakse aktiivset jahutust ning patsiendil lastakse kontrollitult soojeneda umbes -120 °C-ni.
See on järelkuumutuse (annealing) faas. Tg lähedal on krüoprotekteeritud aine molekulaarne liikuvus veel piisav, et osa kogunenud mehaanilisest pingest saaks leeveneda.
Soojenemisfaas annab soojematele ja külmematele piirkondadele aega temperatuurilt ühtlustuda, enne kui aine jõuab sügavamale jäika klaasfaasi.
Järelkuumutus ei kõrvalda juba tekkinud bioloogilist kahjustust. Selle eesmärk on kitsam: vähendada temperatuurigradiente ja ebaühtlasest kokkutõmbumisest tekkinud pingeid.
3. Langus -196 °C-ni umbes 1 °C tunnis
Alates umbes -120 °C-st jahutatakse patsienti umbes 1 °C tunnis, kuni ta jõuab vedela lämmastiku temperatuurini.
See viimane 76-kraadine temperatuurivahemik läbitakse ligikaudu kolme päevaga, arvestamata võimalikke pause ja juhtimiskohandusi.
1 °C tunnis hoidmine suures, termiliselt ebaühtlases kehas on juhtimisülesanne, mitte lihtsalt taimeri seadistus.
Kontroller peab Dewari anuma keskkonda pidevalt kohandama, et sisemiste termopaaride mõõdetud temperatuurid langeksid võimalikult ühtlaselt ega tekiks liigseid gradiente.
Kui ühe piirkonna temperatuur langeb aeglasemalt, võib keskkonna täiendav jahutamine muuta mõne teise piirkonna liiga külmaks. Täpsus tähendab kogu sensorivõrgu tasakaalustamist, mitte üksiku näidu järgimist.
Miks on järelkuumutusfaas teaduslikult usutav
Suuremahulised vitrifikatsiooniuuringud osutavad kahele omavahel seotud riskile: ebapiisavale jahutusele Tg-st kõrgemal ning liigsele mehaanilisele pingele Tg ümbruses ja sellest allpool.
2024. aasta inimelundi mõõtkavas tehtud vitrifikatsiooniuuring kasutas mitut sisemist andurit ning leiti, et järelkuumutus vähendab temperatuurigradiente enne aine jõudmist klaasfaasi.
Sama uuring leidis, et aeglane jahutus järelkuumutuse temperatuurivahemikust allpool aitab vältida suurte temperatuurigradientide ja pingete taasteket.
Eraldi termomehaaniline uuring leidis, et Tg lähedal tehtav järelkuumutus mõjutab oluliselt jääkpingeid ja vähendab nende sõltuvust eelnevast jahutuskiirusest.
Need uuringud toetavad kirjeldatud juhtimisstrateegia põhimõtteid. Need ei kinnita iseseisvalt Tomorrow.bio kogu keha protokolli kõiki täpseid seadeväärtusi.
Kogu inimkeha on laboratoorsetest lahustest ja üksikutest elunditest suurem ning termiliselt ebaühtlasem. Otsesed temperatuuriandmed ja jahutusjärgne pildistamine on jätkuvalt vajalikud.
Mida arvuti registreerib
Oluline väljund ei ole üksnes teade „jahutus valmis“. Oluline on kõigi temperatuurikanalite täielik aegrida.
Andmetest peaksid nähtuma jahutuskiirused, pausid, soojenemisfaasid, anduritevahelised temperatuurigradiendid, kontrolleri toimingud, häired ning kõik kõrvalekalded kavandatud temperatuurikõverast.
Need andmed kuuluvad krüopreservatsiooni kvaliteedihindamise juurde.
Pärast jahutust tehtav standardiseeritud kompuutertomograafia vedela lämmastiku temperatuuril võimaldab hinnata krüoprotektiivse aine jaotumist ning tuvastada jääd, suuri deformatsioone ja mõrasid, mida temperatuuriandmed üksi ei näita.
Miks lõpetada vedela lämmastiku temperatuuril
Normaalrõhul on lämmastiku keemistemperatuur NIST Chemistry WebBooki andmetel 77,34 kelvinit ehk -195,8 °C.NIST Chemistry WebBook.
Vedela lämmastiku säilitamine on passiivne. Kuni anumas on piisavalt vedelat lämmastikku, hoiab selle keemine stabiilset krüogeenset keskkonda ilma mehaanilise jahutuseta.
Kontrollitud jahutus lõpetatakse alles siis, kui patsiendi temperatuur on stabiliseerunud säilitamiseks sobivale tasemele. Säilitamist ei kasutata jahutuse asendajana.
Järgmise etapi tehnilisi lahendusi ja nendega seotud valikuid käsitletakse artiklis kaasaegsete krüogeensete Dewari anumate ja vaheladustamise kohta.
Kokkuvõte: Tomorrow.bio kasutab arvutijuhitud jahutust ja sisemisi temperatuuriandureid. Protsessis jahutatakse klaasistumistemperatuuri lähedal kiiresti, leevendatakse termilist pinget ning seejärel jahutatakse aeglaselt -196 °C suunas.
Uurige seda praktilist tööriista
Kasutage interaktiivset tööriista, et uurida selles artiklis käsitletud küsimust.
Interaktiivset tööriista laaditakse...
Lisalugemist