Na cryoprotectieve perfusie wordt een patiënt niet zomaar in vloeibare stikstof geplaatst.
De patiënt doorloopt een door de computer gecontroleerd temperatuurprogramma dat meerdere dagen duurt. Sensoren in de patiënt tonen of verschillende anatomische regio’s gelijkmatig afkoelen of zich opsplitsen in gevaarlijke thermische gradiënten.
Het technische probleem verandert tijdens de afkoeling. Vroegtijdige afkoeling moet ijsvorming beperken. Nabij en onder de glasovergang worden precisie en thermische uniformiteit belangrijker dan snelheid.
Waarom gecontroleerde afkoeling noodzakelijk is
Cryoprotectieve middelen verminderen de benodigde afkoelsnelheid om ijsvorming te voorkomen. Ze zorgen ervoor dat waterrijk weefsel een sterk viskeuze, glasachtige toestand bereikt in plaats van uitgebreid te kristalliseren.
De relevante glasovergangstemperatuur, afgekort als Tg, hangt af van de oplossing, de concentratie en de meetmethode. Het is een bereik, geen universele biologische drempelwaarde.
Voor oplossingen die relevant zijn voor menselijke cryopreservatie ligt dit gebied vaak rond -120°C tot -135°C.
Boven dit gebied kan te langzame afkoeling ijsnucleatie en -groei toestaan. Daaronder gedraagt het materiaal zich steeds meer als een bros vast stof.
Als het oppervlak veel sneller afkoelt dan het centrum, krimpen verschillende regio’s in verschillende mate. De resulterende thermomechanische spanning kan scheuren veroorzaken.
Dit creëert een beperkt pad: koel snel genoeg voordat vitrificatie optreedt, en beheers dan gradiënten en afkoelsnelheid terwijl de patiënt glasachtig wordt.
Ziehet verschil tussen bevriezen en vitrificatie voor het onderliggende fasegedrag.
De eerste-generatie koelbox
De eerste-generatie koelsysteem van Tomorrow.bio, de V1 cooling box, legde de basisarchitectuur voor gecontroleerde hele-lichaam afkoeling.
De patiënt wordt geplaatst in een speciale geïsoleerde kamer. Een computer regelt de cryogene omgeving van de kamer terwijl thermokoppels temperaturen op meerdere locaties meten.
De regelaar volgt een vooraf geprogrammeerd verloop in plaats van continu maximale koeling toe te passen. Elke sensor wordt geregistreerd als onderdeel van de thermische geschiedenis van de patiënt.
Dit is al fundamenteel anders dan directe onderdompeling. De machine kan vertragen, vasthouden of de omstandigheden in de kamer aanpassen op basis van wat de patiënt daadwerkelijk doet.
Het tweede-generatie dewar-systeem
Tomorrow.bio’s tweede-generatie ontwerp verplaatst de gecontroleerde afkoeling naar een speciaal gebouwde dewar.
De patiënt blijft binnen in de dewar terwijl een gespecialiseerd deksel de afkoelhardware, computerbesturing, kleppen, sensorverbindingen en thermokoppeldoorvoeren integreert.
Thermokoppels zijn op verschillende locaties binnen de patiënt geplaatst. Extra sensoren monitoren de thermische omgeving binnen de dewar.
Het systeem ziet daardoor meer dan de gevraagde setpoint. Het ziet hoe snel verschillende gemeten regio’s van de patiënt reageren.
De computer past de temperatuurgradiënt en de snelheid van de daling van de dewar aan om die metingen binnen de toegestane marges van het protocol te houden.
Een groot lichaam kan niet perfect isotherm zijn tijdens het afkoelen. Het praktische doel is om de spreiding te minimaliseren en te voorkomen dat een gemeten regio gevaarlijk vooruit of achterloopt.
De geometrie van de dewar vermindert ook het hanteren tussen gecontroleerde afkoeling en cryogene opslag. Dezelfde gesloten vorm kan een stabiele, symmetrische omgeving rond de patiënt bieden.
Setpoint-temperatuur is niet de temperatuur van de patiënt
Een controller kan de omgeving snel koud maken. Het kan niet het midden van een menselijk lichaam direct die temperatuur laten aannemen.
Warmte moet van dieper weefsel naar het oppervlak reizen. Geometrie, lichaamssamenstelling, verdeling van cryoprotectant en sensorpositie beïnvloeden de waargenomen vertraging.
Daarom is één kamersensor onvoldoende. Een nominale -130°C omgeving bewijst niet dat elk gemeten deel van de patiënt -130°C heeft bereikt.
Het controlesysteem moet zowel de absolute temperatuur als het verschil tussen kanalen in overweging nemen. Het langzaamste punt, snelste punt en totale spreiding bevatten elk informatie.
Thermokoppelkalibratie, -plaatsing en -continuïteit zijn ook van belang. Onwaarschijnlijke metingen of sensorstoringen moeten worden gemarkeerd in plaats van stilzwijgend in de curve te worden meegenomen.
Tomorrow.bio’s driedelige temperatuurprogramma
Het huidige protocol kent drie duidelijke fasen. De waarden zijn operationele doelen voor deze apparatuur en cryoprotectieve aanpak, geen universele constanten voor elk vitrificatiesysteem.
1. Snel dalen naar -130°C
De eerste fase brengt de patiënt van droogijs-temperatuur naar ongeveer -130°C zo snel als de gemeten temperatuursverspreiding veilig toelaat.
Snelheid is hier belangrijk omdat onbeschermde regio’s nog ijs kunnen vormen voordat het weefsel glasachtig wordt.
De computer volgt niet alleen de verstreken tijd. Het monitort de thermokoppels en past de koelomgeving rond de patiënt aan.
2. Een gecontroleerde terugslag naar -120°C toestaan
Na het bereiken van ongeveer -130°C wordt de actieve koeling verminderd en mag de patiënt op natuurlijke wijze opwarmen tot ongeveer -120°C.
Dit is een uitgloeifase. Nabij Tg behoudt het cryobeschermde materiaal voldoende moleculaire mobiliteit zodat sommige opgebouwde mechanische spanning kan ontspannen.
De terugslag geeft ook warmere en koudere gebieden de tijd om dichter bij elkaar te komen voordat het materiaal dieper in zijn stijve glasachtige toestand wordt gebracht.
Uitgloeien keert bestaande biologische schade niet om. Het doel is beperkter: thermische gradiënten en de spanningen veroorzaakt door ongelijke samentrekking verminderen.
3. Daal af naar -196°C met ongeveer 1°C per uur
Vanaf ongeveer -120°C is de beoogde afdaling ongeveer 1°C per uur tot de patiënt de temperatuur van vloeibare stikstof bereikt.
Dat laatste interval van 76 graden duurt ruwweg drie dagen, zelfs voordat houdes en controleaanpassingen worden meegerekend.
Het handhaven van 1°C per uur in een groot, thermisch heterogeen lichaam is een regelprobleem, geen simpele timerinstelling.
De controller moet de omgeving van de dewar continu aanpassen zodat de interne thermokoppels samen dalen zonder dat er overmatige gradiënten ontstaan.
Als één gebied achterloopt, kan het kouder maken van de omgeving een ander gebied overkoelen. Precisie betekent het hele sensorveld in balans houden, niet één meting najagen.
Waarom de uitgloeifase wetenschappelijk plausibel is
Onderzoek naar grootschalige vitrificatie identificeert twee concurrerende faalzones: onvoldoende koeling boven Tg en overmatige mechanische spanning rond en onder Tg.
Een2024 menselijk orgaanschaal vitrificatieonderzoek gebruikte meerdere interne sondes en concludeerde dat uitgloeien gradiënten vermindert voordat het materiaal de glasachtige fase betreedt.
Hetzelfde onderzoek ontdekte dat langzame koeling onder het uitgloeigebied helpt om grote gradiënten en spanning opnieuw op te bouwen te voorkomen.
Afzonderlijkthermomechanisch onderzoek toonde aan dat uitgloeien nabij Tg de resterende spanning aanzienlijk verandert en de afhankelijkheid van de voorgaande koelsnelheid verzwakt.
Deze studies ondersteunen de onderliggende regelstrategie. Ze valideren niet onafhankelijk elke exacte instelwaarde in Tomorrow.bio’s protocol voor het hele lichaam.
Hele menselijke lichamen zijn groter en heterogener dan laboratoriumoplossingen of organen. Directe temperatuurregistraties en beeldvorming na afkoeling blijven noodzakelijk.
Wat de computer registreert
De nuttige output is niet een bericht dat zegt 'afkoeling voltooid'. Het is de complete tijdreeks van elk temperatuurkanaal.
De registratie moet snelheden, vasthoudmomenten, terugveren, gradiënten tussen sensoren, controlleracties, alarmen en elke afwijking van de geplande curve tonen.
Die gegevens worden onderdeel van decryopreservatiekwaliteitsbeoordeling.
Na afkoeling kan gestandaardiseerde CT bij vloeibare-stikstoftemperatuur de verdeling van cryoprotectant, ijs, grove vervormingen en breuken opsporen die temperatuurgegevens alleen niet kunnen onthullen.
Waarom stoppen bij vloeibare-stikstoftemperatuur
Bij normale atmosferische druk kookt stikstof bij ongeveer 77.34 kelvin, ongeveer -195.8°C, volgens deNIST Chemistry WebBook.
Opslag in vloeibare stikstof is passief. Zolang er voldoende vloeistof in de container blijft, handhaaft het kookevenwicht een stabiele cryogene omgeving zonder mechanische koeling.
De gecontroleerde afdaling eindigt pas wanneer de patiënt thermisch klaar is voor die stabiele toestand. Opslag wordt niet gebruikt als vervanging voor afkoeling.
Het ontwerp en de afwegingen van de volgende fase worden behandeld inmoderne cryogene dewars en opslag bij tussenliggende temperaturen.
TL;DR: Tomorrow.bio gebruikt computergecontroleerde koeling en interne temperatuursensoren. Het proces koelt snel af nabij glasvorming, verlicht thermische spanning, en daalt vervolgens langzaam af naar -196°C.
Ontdek dit praktische hulpmiddel
Gebruik het interactieve hulpmiddel om de vraag in dit artikel te onderzoeken.
Het interactieve hulpmiddel wordt geladen...
Meer lezen