Звуковые волны для решения проблемы рекристаллизации при криоконсервации

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 7603 (2023) Цитировать эту статью

615 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Биобанки органов являются предметом криоконсервации. Хотя проблема многогранна, достижения последних десятилетий во многом связаны с достижением быстрого и равномерного согревания криоконсервированных образцов. Эта физическая проблема широко изучалась в прошлом в дополнение к исследованиям токсичности криопротекторов, которые также показали значительный прогресс. В данной статье на основе нематоды Caenorhabditis elegans представлено доказательство принципа технологии, способной выполнять такую ​​функцию: сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Таким образом, избегая проблемы рекристаллизации, этот червь во взрослом состоянии, сохраненный при температуре − \(80\;^\circ{\rm C}\), систематически возвращался к жизни после нагревания с помощью сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. (HIFU) волны. Большим преимуществом этой технологии является ее масштабируемость; кроме того, согревание можно отслеживать в режиме реального времени с помощью МРТ-термографии и контролировать с помощью акустической интерферометрии. Мы ожидаем, что наши результаты станут отправной точкой для возможного подхода к повторному согреванию, который можно будет использовать для криоконсервации систем миллиметрового масштаба: либо отдельно, либо в сочетании с другими многообещающими способами нагрева, такими как наносогревание или диэлектрический нагрев, нынешняя технология предлагает новые способы. решения физических аспектов проблемы рекристаллизации при криоконсервации, открывающей возможности для длительного хранения более крупных образцов.

Сохранение органов в банках при низких температурах открывает бесчисленные возможности1,2. В настоящее время эта возможность остается неуловимой, и имеются лишь частичные и отдельные успехи, например, на почках кроликов, яичниках овец или печени3,4,5. Хотя существуют разные стратегии криоконсервации, при длительном криогенном хранении органов в значительной степени ответственен за эту ситуацию ущерб, вызванный возможным появлением кристаллов льда. В следующих параграфах мы попытаемся сформулировать проблему в общем контексте криоконсервации. Далее мы поймем, почему быстрому и равномерному отогреванию удается этого избежать. Наконец, мы увидим, как сфокусированный ультразвук высокой интенсивности может предложить решение.

Уже в 1940 г. Лует6 хорошо понимал, что стеклофикация биологических систем возможна, просто пересекая зону, где лед может появляться с достаточной скоростью. Символически это представлено на рис. 1: при повышении или понижении температуры мы переходим из одной фазы в другую; однако мы можем пропустить определенную фазу, если изменение температуры происходит достаточно быстро. Таким образом, мы можем перейти от жидкости к стеклу и наоборот, не проходя через кристаллическое состояние; для этого достаточно, чтобы характерное время этого перехода было меньше характерного времени, необходимого для зарождения и роста льда.

Влияние скорости охлаждения и нагревания на фазовый переход водной системы. Горизонтальная ось представляет температуру в Кельвинах с температурами перехода между четырьмя состояниями (стекло, кристалл, жидкость и газ), обозначенными как Tglass (температура стеклования), Tmelt (температура плавления) и Tboil (температура испарения). Эту ось можно перемещать в обоих направлениях, что соответствует изменениям состояния при пересечении отмеченных температур. Вертикальная ось представляет скорость, с которой происходит изменение температуры. Наглядно показано расположение молекул системы для четырех упомянутых состояний. На этой диаграмме особый интерес представляет скорость, с которой он проходит отмеченные температуры, причем наиболее актуальной для интересующей нас темы является переход из жидкого состояния в стеклообразное. Чрезмерно медленное изменение температуры (малые значения по вертикальной оси) для перехода из жидкой фазы в стеклообразную и наоборот предполагает необходимое прохождение через кристаллическую фазу, что в водных системах предполагает образование льда. Вместо этого высокие скорости охлаждения и/или нагревания (высокие значения на вертикальной оси) обходят «кристаллическую» область, вызывая прямой переход между жидким и стеклообразным состояниями.