Μετά την κρυοπροστατευτική διήθηση, ο ασθενής δεν τοποθετείται απλώς μέσα σε υγρό άζωτο.
Ο ασθενής ακολουθεί ένα ηλεκτρονικά ελεγχόμενο πρόγραμμα ψύξης, το οποίο διαρκεί αρκετές ημέρες. Αισθητήρες που τοποθετούνται στο εσωτερικό του σώματος δείχνουν αν οι διαφορετικές ανατομικές περιοχές ψύχονται ομοιόμορφα ή αν αναπτύσσονται επικίνδυνες θερμοκρασιακές διαφορές.
Το τεχνικό πρόβλημα μεταβάλλεται καθ' όλη τη διάρκεια της πτώσης της θερμοκρασίας. Στα πρώτα στάδια, η ψύξη πρέπει να περιορίζει τον σχηματισμό πάγου. Κοντά και κάτω από τη υαλώδη μετάπτωση, η ακρίβεια και η θερμική ομοιομορφία γίνονται σημαντικότερες από την ταχύτητα.
Γιατί είναι απαραίτητη η ελεγχόμενη ψύξη
Οι κρυοπροστατευτικοί παράγοντες μειώνουν τον ρυθμό ψύξης που απαιτείται για την αποφυγή του πάγου. Επιτρέπουν σε ιστούς πλούσιους σε νερό να περάσουν σε μια πολύ ιξωδέστερη, υαλώδη κατάσταση, αντί να κρυσταλλωθούν εκτενώς.
Η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, που συμβολίζεται με Tg, εξαρτάται από το διάλυμα, τη συγκέντρωσή του και τη μέθοδο μέτρησης. Πρόκειται για ένα εύρος τιμών, όχι για ένα καθολικό βιολογικό όριο.
Για διαλύματα που χρησιμοποιούνται στην κρυοσυντήρηση ανθρώπων, το εύρος αυτό βρίσκεται συνήθως μεταξύ −120 °C και −135 °C.
Πάνω από αυτή την περιοχή, μια πολύ αργή ψύξη μπορεί να επιτρέψει την πυρήνωση και την ανάπτυξη πάγου. Κάτω από αυτή, το υλικό συμπεριφέρεται όλο και περισσότερο σαν εύθρυπτο στερεό.
Αν η επιφάνεια ψύχεται πολύ πιο γρήγορα από το κέντρο, οι διάφορες περιοχές συστέλλονται σε διαφορετικό βαθμό. Η θερμομηχανική τάση που προκύπτει μπορεί να δημιουργήσει ρωγμές.
Από αυτό προκύπτει ένας συγκεκριμένος χειρισμός: αρκετά γρήγορη ψύξη πριν από την υαλοποίηση και, στη συνέχεια, αυστηρός έλεγχος των θερμοκρασιακών διαφορών και του ρυθμού ψύξης κατά τη μετάβαση του ασθενή στην υαλώδη κατάσταση.
Δείτε τις διαφορές ανάμεσα στην κατάψυξη και την υαλοποίηση ως προς τις μεταβολές της φυσικής κατάστασης του υλικού.
Το κουτί ψύξης πρώτης γενιάς
Το σύστημα πρώτης γενιάς της Tomorrow.bio, γνωστό ως «V1 cooling box», καθόρισε τη βασική αρχιτεκτονική για την ελεγχόμενη ψύξη ολόκληρου του σώματος.
Ο ασθενής τοποθετείται μέσα σε έναν ειδικό μονωμένο θάλαμο. Ένας υπολογιστής ελέγχει το κρυογονικό περιβάλλον του θαλάμου, ενώ θερμοστοιχεία μετρούν τη θερμοκρασία σε πολλαπλά σημεία.
Το σύστημα ελέγχου ακολουθεί μια προγραμματισμένη καμπύλη θερμοκρασίας, αντί να εφαρμόζει διαρκώς τη μέγιστη δυνατή ψύξη. Οι μετρήσεις από κάθε αισθητήρα καταγράφονται ως μέρος του θερμικού ιστορικού του ασθενή.
Η προσέγγιση αυτή διαφέρει ριζικά από την άμεση εμβάπτιση. Το μηχάνημα μπορεί να επιβραδύνει, να διακόψει προσωρινά ή να μεταβάλει τις συνθήκες του θαλάμου, ανάλογα με το τι συμβαίνει πραγματικά στον ασθενή.
Το σύστημα δεύτερης γενιάς με βάση το δοχείο Dewar
Ο σχεδιασμός δεύτερης γενιάς της Tomorrow.bio μεταφέρει την ελεγχόμενη ψύξη μέσα σε ένα ειδικά κατασκευασμένο δοχείο Dewar.
Ο ασθενής παραμένει στο δοχείο Dewar, του οποίου το ειδικά σχεδιασμένο καπάκι φέρει τον εξοπλισμό ψύξης, τα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου, τις βαλβίδες, τις συνδέσεις των αισθητήρων και τις διελεύσεις των θερμοστοιχείων.
Τα θερμοστοιχεία τοποθετούνται σε πολλαπλά σημεία μέσα στον ασθενή. Επιπλέον αισθητήρες παρακολουθούν το θερμικό περιβάλλον στο εσωτερικό του δοχείου Dewar.
Το σύστημα, επομένως, δεν παρακολουθεί μόνο την επιθυμητή θερμοκρασία στόχο. Παρακολουθεί επίσης με ποιον ρυθμό μεταβάλλεται η θερμοκρασία στις διαφορετικές περιοχές που μετρώνται.
Ο υπολογιστής προσαρμόζει το θερμικό περιβάλλον στο δοχείο Dewar και τον ρυθμό πτώσης της θερμοκρασίας, ώστε οι τιμές που καταγράφονται να παραμένουν εντός των ορίων του πρωτοκόλλου.
Ένα μεγάλο σώμα δεν μπορεί να έχει απόλυτα ομοιόμορφη θερμοκρασία κατά την ψύξη. Στην πράξη, στόχος είναι να περιοριστεί όσο γίνεται η απόκλιση μεταξύ των μετρήσεων και να μη βρεθεί κάποια περιοχή επικίνδυνα ψυχρότερη ή θερμότερη από τις υπόλοιπες.
Η γεωμετρία του δοχείου Dewar μειώνει επίσης τον χειρισμό του ασθενή ανάμεσα στην ελεγχόμενη ψύξη και την κρυογονική αποθήκευση. Η κλειστή αυτή διάταξη μπορεί επίσης να εξασφαλίζει ένα σταθερό και συμμετρικό θερμικό περιβάλλον γύρω από τον ασθενή.
Η θερμοκρασία στόχου δεν είναι η θερμοκρασία του ασθενή
Ένας ελεγκτής μπορεί να ψύξει το περιβάλλον γρήγορα. Δεν μπορεί όμως να φέρει στιγμιαία το κέντρο ενός ανθρώπινου σώματος στην ίδια θερμοκρασία.
Η θερμότητα πρέπει να μεταφερθεί από τους βαθύτερους ιστούς προς την επιφάνεια. Η γεωμετρία και η σύσταση του σώματος, η κατανομή του κρυοπροστατευτικού και η θέση των αισθητήρων επηρεάζουν την παρατηρούμενη χρονική υστέρηση.
Γι' αυτό ένας μόνο αισθητήρας θαλάμου δεν αρκεί. Ένα ονομαστικό περιβάλλον στους −130 °C δεν αποδεικνύει ότι κάθε μετρημένο σημείο του ασθενή έχει φτάσει τους −130 °C.
Το σύστημα ελέγχου πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο την απόλυτη θερμοκρασία όσο και τη διαφορά ανάμεσα στα κανάλια. Το σημείο που ψύχεται πιο αργά, εκείνο που ψύχεται πιο γρήγορα και η συνολική διασπορά των τιμών παρέχουν διαφορετικές πληροφορίες.
Σημαντικές είναι επίσης η βαθμονόμηση, η θέση και η αδιάλειπτη λειτουργία των θερμοστοιχείων. Απίθανες ή ασύμβατες μετρήσεις, καθώς και βλάβες αισθητήρων, πρέπει να επισημαίνονται και να μην ενσωματώνονται άκριτα στον μέσο όρο της καμπύλης.
Το τριφασικό πρόγραμμα θερμοκρασίας της Tomorrow.bio
Το τρέχον πρωτόκολλο περιλαμβάνει τρεις διακριτές φάσεις. Οι τιμές αποτελούν στόχους λειτουργίας για αυτόν τον συγκεκριμένο εξοπλισμό και την αντίστοιχη κρυοπροστατευτική προσέγγιση, και όχι καθολικές σταθερές για κάθε σύστημα υαλοποίησης.
1. Ταχεία πτώση προς τους −130 °C
Στην πρώτη φάση, ο ασθενής ψύχεται από τη θερμοκρασία του στερεού διοξειδίου του άνθρακα προς τους −130 °C περίπου, με τον μέγιστο ασφαλή ρυθμό που επιτρέπουν οι καταγεγραμμένες θερμοκρασιακές αποκλίσεις.
Η ταχύτητα έχει σημασία εδώ, γιατί οι περιοχές με ανεπαρκή προστασία μπορεί να σχηματίσουν ακόμη πάγο πριν ο ιστός μεταβεί σε υαλώδη κατάσταση.
Ο υπολογιστής δεν ακολουθεί απλώς τον χρόνο που έχει παρέλθει. Παρακολουθεί τα θερμοστοιχεία και προσαρμόζει το περιβάλλον ψύξης γύρω από τον ασθενή.
2. Ελεγχόμενη άνοδος προς τους −120 °C
Αφού η θερμοκρασία φτάσει περίπου τους −130 °C, η ενεργή ψύξη περιορίζεται και το σώμα αφήνεται να θερμανθεί παθητικά προς τους −120 °C περίπου.
Πρόκειται για μια φάση ανόπτησης. Κοντά στη Tg, το κρυοπροστατευμένο υλικό διατηρεί αρκετή μοριακή κινητικότητα, ώστε να εκτονωθεί μέρος των συσσωρευμένων μηχανικών τάσεων.
Η άνοδος αυτή δίνει επίσης χρόνο στις θερμότερες και ψυχρότερες περιοχές να πλησιάσουν θερμοκρασιακά μεταξύ τους, προτού το υλικό περάσει βαθύτερα στην άκαμπτη υαλώδη κατάστασή του.
Η ανόπτηση δεν αναστρέφει προϋπάρχουσα βιολογική βλάβη. Ο σκοπός της είναι πιο περιορισμένος: να μειώσει τις θερμικές διαβαθμίσεις και τις τάσεις που προκαλούνται από την άνιση συστολή.
3. Πτώση στους −196 °C με ρυθμό περίπου 1 °C ανά ώρα
Από τους −120 °C περίπου και κάτω, επιδιώκεται ρυθμός ψύξης της τάξης του 1 °C ανά ώρα, έως ότου ο ασθενής φτάσει στη θερμοκρασία του υγρού αζώτου.
Το τελικό αυτό εύρος των 76 βαθμών διαρκεί περίπου τρεις ημέρες, χωρίς να υπολογίζονται οι παύσεις και οι προσαρμογές του συστήματος ελέγχου.
Η διατήρηση ρυθμού 1 °C ανά ώρα σε ένα μεγάλο, θερμικά ανομοιογενές σώμα είναι ζήτημα ελέγχου, όχι απλώς ρύθμισης χρονομέτρου.
Το σύστημα ελέγχου πρέπει να προσαρμόζει διαρκώς το θερμικό περιβάλλον στο δοχείο Dewar, ώστε οι ενδείξεις των εσωτερικών θερμοστοιχείων να μειώνονται συντονισμένα, χωρίς υπερβολικές θερμοκρασιακές διαφορές.
Όταν μια περιοχή καθυστερεί, η επιβολή ψυχρότερου περιβάλλοντος μπορεί να υπερψύξει μια άλλη περιοχή. Η ακρίβεια απαιτεί εξισορρόπηση όλων των μετρήσεων των αισθητήρων και όχι προσήλωση σε μία μόνο ένδειξη.
Γιατί η φάση της ανόπτησης είναι επιστημονικά πειστική
Οι μελέτες μεγάλης κλίμακας για την υαλοποίηση αναδεικνύουν δύο αντίθετους κινδύνους: ανεπαρκή ψύξη πάνω από την Tg και υπερβολικές μηχανικές τάσεις κοντά στην Tg και κάτω από αυτήν.
Μια μελέτη υαλοποίησης σε κλίμακα ανθρώπινου οργάνου του 2024 χρησιμοποίησε πολλαπλούς εσωτερικούς αισθητήρες και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ανόπτηση μειώνει τις διαβαθμίσεις πριν το υλικό εισέλθει στην υαλώδη φάση.
Η ίδια μελέτη διαπίστωσε ότι η αργή ψύξη κάτω από την περιοχή ανόπτησης βοηθά στην αποφυγή εκ νέου δημιουργίας μεγάλων διαβαθμίσεων και τάσεων.
Ξεχωριστή θερμομηχανική έρευνα διαπίστωσε ότι η ανόπτηση κοντά στη Tg μεταβάλλει σημαντικά την υπολειπόμενη τάση και αμβλύνει την εξάρτησή της από τον προηγούμενο ρυθμό ψύξης.
Οι μελέτες αυτές υποστηρίζουν τη βασική στρατηγική ελέγχου. Δεν επικυρώνουν όμως ανεξάρτητα κάθε επιμέρους τιμή στόχου του πρωτοκόλλου της Tomorrow.bio για ολόκληρο το σώμα.
Το ανθρώπινο σώμα στο σύνολό του είναι μεγαλύτερο και πιο ανομοιογενές από τα εργαστηριακά διαλύματα ή τα μεμονωμένα όργανα. Οι απευθείας καταγραφές θερμοκρασίας και η απεικόνιση μετά την ψύξη παραμένουν απαραίτητες.
Τι καταγράφει ο υπολογιστής
Το ουσιαστικό αποτέλεσμα δεν είναι απλώς ένα μήνυμα ότι «η ψύξη ολοκληρώθηκε». Είναι η πλήρης χρονοσειρά από κάθε κανάλι θερμοκρασίας.
Η καταγραφή πρέπει να περιλαμβάνει τους ρυθμούς μεταβολής, τις παύσεις, τυχόν αυξήσεις της θερμοκρασίας, τις διαφορές μεταξύ των αισθητήρων, τις ενέργειες του συστήματος ελέγχου, τους συναγερμούς και κάθε απόκλιση από την προγραμματισμένη καμπύλη.
Αυτά τα δεδομένα γίνονται μέρος της αξιολόγησης ποιότητας της κρυοσυντήρησης.
Μετά την ψύξη, μια τυποποιημένη αξονική τομογραφία στη θερμοκρασία του υγρού αζώτου μπορεί να αναζητήσει την κατανομή του κρυοπροστατευτικού, την παρουσία πάγου, εμφανείς παραμορφώσεις και ρωγμές που τα δεδομένα θερμοκρασίας από μόνα τους δεν μπορούν να αποκαλύψουν.
Γιατί η διαδικασία καταλήγει στη θερμοκρασία του υγρού αζώτου
Σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση, το άζωτο βράζει κοντά στα 77,34 kelvin, δηλαδή περίπου στους −195,8 °C, σύμφωνα με το NIST Chemistry WebBook.
Η αποθήκευση σε υγρό άζωτο δεν απαιτεί ενεργό μηχανική ψύξη. Όσο το δοχείο περιέχει επαρκή ποσότητα υγρού αζώτου, η ισορροπία βρασμού διατηρεί σταθερό το κρυογονικό περιβάλλον χωρίς μηχανική ψύξη.
Η ελεγχόμενη πτώση της θερμοκρασίας τελειώνει μόνο όταν ο ασθενής είναι θερμικά έτοιμος για αυτή τη σταθερή κατάσταση. Η αποθήκευση δεν χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο της ψύξης.
Ο σχεδιασμός και οι τεχνικοί συμβιβασμοί του επόμενου σταδίου παρουσιάζονται στο άρθρο «Σύγχρονα κρυογονικά δοχεία Dewar και αποθήκευση σε ενδιάμεση θερμοκρασία».
Συνοπτικά: Η Tomorrow.bio χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά ελεγχόμενη ψύξη και εσωτερικούς αισθητήρες θερμοκρασίας. Η διαδικασία προβλέπει ταχεία ψύξη έως την περιοχή της υαλώδους μετάπτωσης, εκτόνωση των θερμικών τάσεων και στη συνέχεια αργή πτώση της θερμοκρασίας προς τους −196 °C.
Εξερευνήστε αυτό το πρακτικό εργαλείο
Χρησιμοποιήστε το διαδραστικό εργαλείο για να εξερευνήσετε το ερώτημα αυτού του άρθρου.
Φόρτωση του διαδραστικού εργαλείου...
Περαιτέρω ανάγνωση