Kæling niður að hitastigi fljótandi köfnunarefnis

Eftir kryóvarnarinnrennsli er sjúklingur ekki einfaldlega settur í fljótandi köfnunarefni.

Sjúklingurinn fer í gegnum tölvustýrt hitastigsferli sem tekur nokkra daga. Skynjarar í líkamanum sýna hvort mismunandi líffærasvæði kólna með svipuðum hraða eða hvort hitamunur milli þeirra verður hættulega mikill.

Tæknilegar áskoranir breytast eftir því sem hitastigið lækkar. Í upphafi kælingar á að takmarka ísmyndun. Nálægt glerhamskiptasviðinu og þar fyrir neðan skiptir meira máli að hitastigið sé sem jafnast um líkamann en að kælingin gangi hratt fyrir sig.

Hvers vegna stýrð kæling er nauðsynleg

Kryóvarnarefni draga úr þeim kælihraða sem þarf til að koma í veg fyrir ísmyndun. Þau geta stuðlað að því að vatnsríkir vefir glerkennist í stað þess að stór hluti vatnsins kristallist.

Glerhamskiptasviðið, sem hér er táknað Tg, ræðst af samsetningu lausnarinnar, styrk hennar og mæliaðferð. Um er að ræða hitastigssvið, en ekki eitt algilt líffræðilegt viðmiðunargildi.

Í lausnum sem notaðar eru við kryóvarðveislu manna er þetta svið oft á bilinu -120°C til -135°C.

Fyrir ofan það svið getur of hæg kæling leyft ískjörnun og ísvöxt. Undir þessu sviði verður efnið sífellt líklegra til að haga sér eins og stökkt fast efni.

Ef yfirborðið kólnar mun hraðar en innri hlutar líkamans dragast mismunandi svæði saman í mismiklum mæli. Sú varmavélræna spenna sem myndast getur valdið sprungum.

Þetta er viðkvæmt jafnvægi: kæla þarf nægilega hratt til að stuðla að glerjun og stýra síðan kælihraða og hitamun þegar vefirnir eru komnir í glerkennt ástand.

Sjá umfjöllun um muninn á frystingu og glerjun til að kynna þér undirliggjandi fasabreytingar.

Fyrsta kynslóð kælikerfisins

Fyrsta kynslóð kerfisins frá Tomorrow.bio, V1-kælikassinn, var grunnur að stýrðri kælingu á heilum líkama.

Sjúklingurinn er lagður inn í sérstakan einangraðan klefa. Tölva stýrir hitastigi í klefanum en hitaskynjarar, svonefndir thermocouples, mæla hitastig á mörgum stöðum.

Stýribúnaðurinn fylgir forrituðu ferli í stað þess að kæla samfellt af hámarkshraða. Öll skynjaragögn eru skráð sem hluti af hitasögu sjúklingsins.

Þetta er frábrugðið því að setja sjúkling beint í fljótandi köfnunarefni. Kerfið getur hægt á kælingunni, haldið hitastigi stöðugu eða breytt aðstæðum í klefanum eftir því hvernig hitastigið breytist inni í líkamanum.

Önnur kynslóð kerfisins, byggð á Dewar-ílátum

Í annarri kynslóð hönnunarinnar hjá Tomorrow.bio fer stýrð kæling fram í sérsmíðuðu Dewar-íláti.

Sjúklingurinn er áfram í Dewar-ílátinu og sérsmíðað lokið hýsir kælibúnað, tölvustýringu, loka, skynjaratengingar og gegnumfærslur fyrir hitaskynjara.

Hitaskynjarar eru staðsettir á nokkrum stöðum í líkama sjúklingsins. Aðrir skynjarar fylgjast með hitastiginu inni í Dewar-ílátinu.

Kerfið fylgist því með fleiru en einu fyrirfram skilgreindu markhitastigi. Kerfið mælir hversu hratt hitastig breytist á mismunandi mælistöðum í líkama sjúklingsins.

Tölvan stýrir hitastigi og kælihraða í Dewar-ílátinu til að halda þessum mæligildum innan þeirra marka sem verklagið heimilar.

Í stórum líkama verður hitastigið aldrei nákvæmlega jafnt alls staðar meðan kæling stendur yfir. Raunhæft markmið er að minnka hitamun milli svæða og koma í veg fyrir að hitastig á einhverjum mælistað breytist hættulega mikið hraðar eða hægar en á öðrum.

Hönnun Dewar-ílátsins dregur einnig úr því hversu mikið þarf að hreyfa sjúklinginn milli stýrðrar kælingar og langtímavarðveislu við lágt hitastig. Sama lokaða kerfi getur einnig stuðlað að stöðugu hitaumhverfi í kringum sjúklinginn.

Markhitastig er ekki hitastig sjúklingsins

Stýribúnaður getur kælt umhverfið hratt niður. Hann getur ekki látið kjarna mannslíkama ná því hitastigi samstundis.

Hiti verður að berast frá dýpri vefjum út til yfirborðsins. Lögun líkamans, vefjasamsetning, dreifing kryóvarnarefna og staðsetning skynjara hafa öll áhrif á hversu hratt hitastigið breytist í mismunandi hlutum líkamans.

Þess vegna er einn skynjari í klefanum ekki nóg. Hitastig upp á -130°C í umhverfinu sannar ekki að hvert mælt svæði í líkama sjúklingsins hafi náð -130°C.

Stýrikerfið þarf bæði að fylgjast með hitastigi á hverjum mælistað og hitamuninum milli mælistaða. Hægasti mælipunkturinn, hraðasti mælipunkturinn og heildarbilið gefa hvert um sig mikilvægar upplýsingar.

Kvörðun, staðsetning og heilleiki hitaskynjara skipta líka máli. Skrá þarf sérstaklega óáreiðanlegar mælingar og bilaða skynjara í stað þess að láta slík gögn reiknast inn í meðaltal ferilsins.

Þriggja þrepa hitastigsferli Tomorrow.bio

Núgildandi verklag skiptist í þrjú aðgreind þrep. Gildin eru vinnuviðmið fyrir þennan búnað og þessa kryóvörn, en ekki algild viðmiðun fyrir öll glerherslukerfi.

1. Hröð lækkun niður í -130°C

Á fyrsta þrepinu er sjúklingurinn kældur frá hitastigi þurríssins niður í um það bil -130°C, eins hratt og unnt er án þess að hitamunur milli mælistaða verði of mikill.

Hraði skiptir hér máli því á svæðum þar sem kryóvörnin er minni getur ís myndast áður en vefurinn nær glerkenndu ástandi.

Tölvan stýrir ferlinu ekki eingöngu eftir fyrirfram ákveðinni tímasetningu. Hún fylgist með hitaskynjurunum og stillir kælingu umhverfisins í kringum sjúklinginn í samræmi við mælingarnar.

2. Stýrð hlýnun í átt að -120°C

Þegar um það bil -130°C er náð er virk kæling minnkuð og sjúklingnum er leyft að hlýna náttúrulega í átt að um það bil -120°C.

Þetta er hitameðhöndlunarþrep, oft nefnt annealing á ensku. Nálægt Tg er enn nægileg sameindahreyfing í kryóvarða efninu til að hluti þeirrar vélrænu spennu sem safnast hefur upp geti jafnast út.

Þessi hæga hlýnun gefur einnig heitari og kaldari svæðum tíma til að jafna hitamuninn áður en efnið verður stökkara og glerkenndara.

Hitameðhöndlunin bætir ekki úr líffræðilegum skaða sem þegar hefur orðið. Tilgangurinn er takmarkaðri: að minnka hitamun og þá spennu sem myndast þegar mismunandi svæði dragast misjafnlega saman.

3. Lækkun niður í -196°C, um það bil 1°C á klukkustund

Frá um það bil -120°C er stefnt að því að lækka hitastigið um u.þ.b. 1°C á klukkustund þar til hitastig sjúklingsins nálgast hitastig fljótandi köfnunarefnis.

Þetta síðasta 76 gráðu hitabil tekur um það bil þrjá daga, án þess að tekið sé tillit til hléa og breytinga á stýringu.

Að halda kælihraðanum 1°C á klukkustund í stórum líkama þar sem hitastigið er misjafnt er flókið stýringarverkefni, en ekki einfaldlega spurning um að stilla tímastilli.

Stýribúnaðurinn þarf stöðugt að aðlaga umhverfið í Dewar-ílátinu svo að hitastig við innri skynjarana lækki með svipuðum hraða án þess að of mikill hitastigsmunur myndist.

Þegar eitt svæði kólnar hægar getur frekari kæling umhverfisins valdið því að annað svæði ofkólnar. Nákvæmnin felst í að taka mið af öllum skynjaragögnum, en ekki að stýra ferlinu eftir einni mælingu.

Vísindalegur grunnur hitameðhöndlunarþrepsins

Rannsóknir á glerherslu í stærri sýnum benda til tveggja helstu áhættuþátta: of hægrar kælingar fyrir ofan Tg og of mikillar vélrænnar spennu í kringum Tg og þar fyrir neðan.

Í rannsókn frá 2024 á glerjun líffæris á stærðargráðu mannslíffæris voru notaðir margir innri skynjarar. Niðurstöðurnar bentu til þess að hitameðhöndlun drægi úr hitamun áður en efnið nær glerkenndu ástandi.

Sama rannsókn benti til þess að hæg kæling undir hitameðhöndlunarsviðinu gæti dregið úr líkum á að mikill hitamunur og spenna mynduðust aftur.

Sérstök rannsókn á varmavélrænum áhrifum sýndi að hitameðhöndlun nálægt Tg getur breytt afgangsspennu verulega og dregið úr tengslum hennar við fyrri kælihraða.

Þessar rannsóknir styðja þá stýringaraðferð sem lýst er hér. Þær staðfesta þó ekki hvert einstakt markhitastig í verklagi Tomorrow.bio við kælingu á heilum líkama.

Heilir mannslíkamar eru stærri og misleitari en lausnir eða líffæri í rannsóknarstofu. Enn þarf beinar hitastigsmælingar og myndgreiningu eftir kælingu.

Hvaða gögn tölvan skráir

Gagnlegt lokaskjal er ekki einföld tilkynning um að kælingu sé lokið. Mikilvægara er að varðveita samfellda tímaröð mæligagna frá hverri skynjararás.

Skráin ætti að sýna kælihraða, hlé, hlýnun, hitamun milli skynjara, aðgerðir stýribúnaðar, viðvaranir og öll frávik frá fyrirhuguðu ferli.

Þessi gögn verða hluti af gæðamati kryóvarðveislunnar.

Eftir kælingu er hægt að nota hefðbundna tölvusneiðmyndatöku (CT) við hitastig fljótandi köfnunarefnis til að meta dreifingu kryóvarnarefna og greina ís, verulegar lögunarbreytingar og sprungur sem hitastigsgögn ein og sér sýna ekki.

Hvers vegna endað er á hitastigi fljótandi köfnunarefnis

Við venjulegan loftþrýsting sýður köfnunarefni nálægt 77,34 kelvíngráðum, u.þ.b. -195,8°C, samkvæmt NIST Chemistry WebBook.

Varðveisla í fljótandi köfnunarefni krefst ekki virkrar kælingar. Svo lengi sem nægilegt fljótandi köfnunarefni er í ílátinu heldur suðujafnvægið hitastiginu stöðugu án virkrar vélrænnar kælingar.

Stýrðri kælingu lýkur ekki fyrr en hitastigið í líkamanum hefur jafnast nægilega til langtímavarðveislu. Langtímavarðveislan kemur ekki í stað stýrðrar kælingar.

Fjallað er nánar um hönnun og tæknilegar málamiðlanir í nútíma Dewar-ílátum fyrir kuldavarðveislu og millistigsvarðveislu.

Frekari lesning

• Physical vitrification and nanowarming at human organ scale
• Temperature gradients and stress during vitrification
• Yfirlit Tomorrow.bio yfir kryóvarðveisluferlið
• Hefðbundin Dewar-ílát fyrir langtímavarðveislu við lágt hitastig