Na de cryoprotectieve perfusie wordt een patiënt niet zomaar in vloeibare stikstof gelegd.
De patiënt doorloopt een computergestuurd temperatuurprogramma dat meerdere dagen duurt. Sensoren in het lichaam laten zien of de verschillende anatomische regio's gelijk afkoelen of juist uit elkaar lopen in gevaarlijke temperatuurverschillen.
Tijdens de afkoeling verandert het technische probleem. In het begin moet de koeling vooral ijsvorming beperken. Rond en onder de glasovergang worden precisie en een gelijkmatige temperatuurverdeling belangrijker dan snelheid.
Waarom gecontroleerde koeling nodig is
Cryoprotectanten verlagen de koelsnelheid die nodig is om ijsvorming te voorkomen. Ze zorgen ervoor dat waterrijk weefsel overgaat in een sterk viskeuze, glasachtige toestand in plaats van dat het uitgebreid kristalliseert.
De relevante glasovergangstemperatuur, geschreven als Tg, hangt af van de oplossing, de concentratie en de meetmethode. Het is een bereik, geen universele biologische drempel.
Voor oplossingen die relevant zijn voor menselijke cryopreservatie ligt dit bereik doorgaans rond de −120 °C tot −135 °C.
Boven dit bereik kan te langzaam koelen ijskiemvorming en groei toelaten. Eronder gedraagt het materiaal zich steeds meer als een brokkelige vaste stof.
Als het oppervlak veel sneller afkoelt dan de kern, krimpen de verschillende regio's ongelijk. De thermomechanische spanning die daardoor ontstaat, kan scheuren veroorzaken.
Dit levert een nauw pad op: snel genoeg koelen vóór de vitrificatie, en daarna de gradiënten en de koelsnelheid beheersen terwijl de patiënt glasachtig wordt.
Zie het verschil tussen invriezen en vitrificatie voor het onderliggende faseovergangsgedrag.
De eerstegeneratie koelbox
Het eerstegeneratiesysteem van Tomorrow.bio, de V1-koelbox, legde de basisarchitectuur vast voor gecontroleerde afkoeling van het hele lichaam.
De patiënt ligt in een speciaal geïsoleerde kamer. Een computer regelt de cryogene omgeving in die kamer, terwijl thermokoppels de temperatuur op verschillende plaatsen meten.
De regelaar volgt een geprogrammeerde curve in plaats van continu maximaal te koelen. Elk sensorkanaal wordt vastgelegd als onderdeel van de thermische geschiedenis van de patiënt.
Dit verschilt al fundamenteel van directe onderdompeling. De machine kan de omstandigheden in de kamer vertragen, vasthouden of aanpassen op basis van wat er werkelijk met de patiënt gebeurt.
Het tweedegeneratiesysteem op basis van een dewar
Het tweedegeneratieontwerp van Tomorrow.bio verplaatst de gecontroleerde afkoeling naar een speciaal gebouwde dewar.
De patiënt blijft in de dewar terwijl een speciaal deksel de koelapparatuur, de computerbesturing, de kleppen, de sensoraansluitingen en de doorvoeringen voor de thermokoppels bevat.
Thermokoppels zitten op verschillende plaatsen in het lichaam van de patiënt. Extra sensoren houden de thermische omgeving binnen de dewar in de gaten.
Het systeem ziet daardoor meer dan alleen de gewenste streefwaarde. Het ziet ook hoe snel de verschillende gemeten regio's van de patiënt reageren.
De computer past de temperatuurgradiënt en de daalsnelheid in de dewar aan om die meetwaarden binnen de toegestane marge van het protocol te houden.
Een groot lichaam kan tijdens het koelen niet volledig isotherm zijn. Het praktische doel is de spreiding zo klein mogelijk te houden en te voorkomen dat een gemeten regio gevaarlijk voor- of achterloopt.
De vorm van de dewar beperkt bovendien het aantal handelingen tussen de gecontroleerde afkoeling en de langetermijnopslag. Dezelfde gesloten vorm kan een stabiele, symmetrische omgeving rond de patiënt bieden.
Streeftemperatuur is niet gelijk aan patiënttemperatuur
Een regelaar kan de omgeving snel koud maken. Hij kan niet bewerkstelligen dat de kern van een menselijk lichaam die temperatuur onmiddellijk bereikt.
Warmte moet vanuit diepere weefsels naar het oppervlak reizen. Lichaamsvorm, lichaamssamenstelling, de verdeling van het cryoprotectant en de plaats van de sensoren beïnvloeden allemaal de waargenomen vertraging.
Daarom is één sensor in de kamer niet genoeg. Een nominale omgeving van −130 °C bewijst niet dat elk gemeten deel van de patiënt daadwerkelijk −130 °C heeft bereikt.
Het regelsysteem moet zowel naar de absolute temperatuur kijken als naar het verschil tussen de kanalen. Het langzaamste punt, het snelste punt en de totale spreiding leveren elk informatie op.
Ook de calibratie, plaatsing en continuïteit van de thermokoppels zijn van belang. Onwaarschijnlijke metingen of sensorstoringen moeten worden gemarkeerd, niet stilzwijgend meegenomen in het gemiddelde van de curve.
Het driefasenprogramma van Tomorrow.bio
Het huidige protocol bestaat uit drie duidelijk te onderscheiden fasen. De waarden zijn streefwaarden voor deze apparatuur en deze cryoprotectieve aanpak, geen universele constanten voor elk vitrificatiesysteem.
1. Snel dalen naar −130 °C
In de eerste fase gaat de patiënt van de temperatuur van droogijs naar ongeveer −130 °C, zo snel als de gemeten temperatuurspreiding veilig toelaat.
Snelheid is hier belangrijk omdat onvoldoende beschermde regio's nog ijs kunnen vormen voordat het weefsel glasachtig wordt.
De computer volgt niet alleen de verstreken tijd. Hij houdt de thermokoppels in de gaten en past de koelomgeving rond de patiënt daarop aan.
2. Een gecontroleerde opwarming naar −120 °C toelaten
Nadat ongeveer −130 °C is bereikt, wordt de actieve koeling verminderd en mag de patiënt op natuurlijke wijze opwarmen naar ongeveer −120 °C.
Dit is een gloeifase. Nabij Tg heeft het cryoprotectieve materiaal nog genoeg moleculaire beweeglijkheid om een deel van de opgebouwde mechanische spanning te laten ontspannen.
De opwarming geeft warmere en koudere regio's ook de tijd om dichter bij elkaar te komen voordat het materiaal verder de starre glastoestand ingaat.
De gloeifase maakt bestaande biologische schade niet ongedaan. Het doel is beperkter: temperatuurverschillen en de spanningen door ongelijke krimp verminderen.
3. Dalen naar −196 °C met ongeveer 1 °C per uur
Vanaf ongeveer −120 °C is de streefsnelheid ongeveer 1 °C per uur, tot de patiënt de temperatuur van vloeibare stikstof bereikt.
Dat laatste interval van 76 graden duurt ongeveer drie dagen, nog voordat pauzes en regelaanpassingen worden meegerekend.
1 °C per uur aanhouden in een groot, thermisch ongelijkmatig lichaam is een regeltechnisch probleem, geen kwestie van een timer instellen.
De regelaar moet de omgeving in de dewar voortdurend aanpassen zodat de interne thermokoppels gelijk opgaand dalen zonder dat er te grote gradiënten ontstaan.
Als één regio achterblijft, kan het kouder maken van de omgeving een andere regio overkoelen. Precisie betekent dat het hele sensorveld in balans wordt gehouden, niet dat één meetwaarde wordt achternagejaagd.
Waarom de gloeifase wetenschappelijk plausibel is
Grootschalig vitrificatieonderzoek onderscheidt twee tegengestelde faalzones: onvoldoende koeling boven Tg en te grote mechanische spanning rond en onder Tg.
Een vitrificatiestudie uit 2024 op de schaal van een menselijk orgaan gebruikte meerdere interne sensoren en concludeerde dat de gloeifase gradiënten vermindert voordat het materiaal de glastoestand ingaat.
Diezelfde studie liet zien dat langzaam koelen onder de gloeifase helpt voorkomen dat grote gradiënten en spanningen opnieuw ontstaan.
Apart thermomechanisch onderzoek toonde aan dat gloeien nabij Tg de resterende spanning aanzienlijk verandert en de afhankelijkheid ervan van de voorafgaande koelsnelheid verzwakt.
Deze studies onderbouwen de gevolgde regelstrategie. Ze bevestigen niet onafhankelijk elke exacte streefwaarde in het protocol van Tomorrow.bio voor het hele lichaam.
Hele menselijke lichamen zijn groter en ongelijkmatiger dan laboratoriumoplossingen of losse organen. Directe temperatuurgegevens en beeldvorming na de afkoeling blijven daarom nodig.
Wat de computer vastlegt
De nuttige uitkomst is geen bericht dat zegt "afkoeling voltooid". Het is de volledige tijdreeks van elk temperatuurkanaal.
De registratie moet snelheden, pauzes, opwarmingen, gradiënten tussen sensoren, acties van de regelaar, alarmen en elke afwijking van de geplande curve tonen.
Die gegevens vormen een onderdeel van de kwaliteitsbeoordeling van de cryopreservatie.
Na de afkoeling kan een gestandaardiseerde CT-scan bij de temperatuur van vloeibare stikstof zoeken naar de verdeling van het cryoprotectant, ijs, grove vervormingen en breuken die temperatuurgegevens alleen niet kunnen laten zien.
Waarom bij de temperatuur van vloeibare stikstof wordt geëindigd
Bij normale atmosferische druk kookt stikstof rond 77,34 kelvin, ongeveer −195,8 °C, volgens de NIST Chemistry WebBook.
Opslag in vloeibare stikstof is passief. Zolang er voldoende vloeistof in het vat blijft, houdt het kookevenwicht een stabiele cryogene omgeving in stand, zonder mechanische koeling.
De gecontroleerde afkoeling eindigt pas wanneer de patiënt thermisch klaar is voor die stabiele toestand. Opslag vervangt de afkoeling niet.
Het ontwerp en de afwegingen van de volgende fase worden behandeld in moderne cryogene dewars en opslag bij een tussentemperatuur.
TL;DR: Tomorrow.bio gebruikt computergestuurde koeling en interne temperatuursensoren. Het proces koelt snel af nabij de glasovergang, verlaagt thermische spanning en daalt daarna langzaam richting −196 °C.
Ontdek dit praktische hulpmiddel
Gebruik het interactieve hulpmiddel om de vraag in dit artikel te onderzoeken.
De interactieve tool wordt geladen...
Meer lezen