Neuer Modellierungsansatz trägt zur Weiterentwicklung der Kryokonservierung bei

Die Kryokonservierung von Geweben und Organen, ohne sie zu beschädigen, erfordert einen heiklen Tanz durch die Prinzipien der Thermodynamik. Das Biothermal Technology Laboratory der Carnegie Mellon University hat einen neuartigen Modellierungsansatz für die isochore Konservierung, um die Arbeit voranzutreiben. Prem Solanki und Yoed Rabin haben eine neue Methode entwickelt, um die Verfestigung von Flüssigkeiten in begrenzten Volumina zu modellieren, mit Anwendungen zur Erhaltung von Organen und Gewebe. Ihre Forschung ist veröffentlicht in PLUS EINS.

Kryotechnik ist die Untersuchung, Produktion und Nutzung von kalten Temperaturen. Kryokonservierung ist das Studium und die Praxis der Lagerung von Biomaterialien bei niedrigen Temperaturen. Das Feld ist fast 70 Jahre alt. Praktische Anwendungen der Kryokonservierung umfassen die Konservierung von Stammzellen, Samenzellen, Embryonen, Hornhäuten, Pankreasinseln und anderen Biomaterialien. Die Kryokonservierung wird auch zum Biobanking von Pflanzensamen und -geweben verwendet.

Das Potenzial der Kryokonservierung ist enorm. Heute konzentriert sich die Forschung zur Kryokonservierung auf die Konservierung ganzer Organe für die Langzeitlagerung und -lebensfähigkeit, deren Erfolg ein großer medizinischer Fortschritt sein kann. Derzeit können Organe wie Herz, Leber und Bauchspeicheldrüse einige Stunden außerhalb des Körpers überleben. Die Kryokonservierung hat das Potenzial, diese Frist auf mehrere Tage oder sogar länger zu verlängern.

„Im Idealfall möchten wir die Organe auf unbestimmte Zeit konservieren, damit wir eine Organbank haben, von der aus wir eine Reihe von Problemen lösen können, einschließlich einer ständigen Verfügbarkeit von Organen und Geweben auf Abruf für die Transplantation“, sagt Solanki , Postdoktorand im Maschinenbau.

Das Gebiet der Kryokonservierung bewegt sich in einem Gletschertempo, da der Prozess mit zahlreichen Herausforderungen verbunden ist. Wenn organisches Gewebe unter unkontrollierten Bedingungen gefriert, neigt es zum Absterben. Die gefrorene Region des Gewebes erhält kein sauerstoffreiches Blut, was das Gewebe aufgrund einer ischämischen Verletzung, einer Verletzung, die durch mangelnden Blutfluss verursacht wird, schnell verschlechtert. Auf mikroskopischer Ebene kann die Bildung von Eiskristallen Zellen zum Platzen bringen, und auf makroskopischer Ebene kann thermischer Stress Blutgefäße brechen, was beides dazu führt, dass das Gewebe beim Auftauen nicht mehr lebensfähig ist.

Um dem entgegenzuwirken, ersetzen Wissenschaftler das Wasser in den Geweben durch eine frostschutzmittelähnliche Lösung, sogenannte „Kryoschutzmittel“ (CPAs), wodurch das Gewebe unter den Gefrierpunkt gekühlt werden kann, ohne dass sich Eiskristalle bilden. Die Inhaltsstoffe in CPAs sind jedoch oft toxisch für das organische Gewebe, was sehr spezielle Konzentrationen dieser Inhaltsstoffe in den Lösungen erfordert.

Eine Alternative zum Problem der Eisbildung ist die isochore Kryokonservierung, bei der das Gewebe eingefroren wird, während ein konstantes Volumen in der Kammer aufrechterhalten wird. „Die Idee der isochoren Konservierung ist, dass man eine gewisse Eisbildung zulässt, sodass die Gewebeprobe im flüssigen Teil der Lösung konserviert wird“, sagt Solanki.

Die Eisbildung erfolgt in der Nähe der Behälterwände, wobei das empfindliche Gewebe sicher in der Mitte aufbewahrt wird. Die Lösung dehnt sich im Volumen aus, aber die starren Wände der Konservierungskammer halten dies auf. Die einzige andere Möglichkeit für die Lösung besteht darin, den Druck zu erhöhen, was die Temperatur verringert, bei der die Lösung gefriert. Dadurch kann das Gewebe bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gelagert werden, während es noch in einer flüssigen Lösung suspendiert ist.

Isochorische Erhaltung ist das, was Solanki und Rabin, ein Professor für Maschinenbau, studieren. Während die isochore Konservierung für die Zukunft der Kryokonservierung vielversprechend erscheint, ist es derzeit äußerst schwierig, sie mathematisch zu modellieren. Eis verhält sich ganz anders als flüssiges Wasser, und es ist schwierig zu bestimmen, wo sich Eis in einem System bildet und wie diese „Gefrierfronten“ mit flüssigem Wasser interagieren.

Die neueste Forschung des Teams schlägt eine neue Methode zur Modellierung des isochoren Kühlprozesses vor, bei der die gefrorenen und nicht gefrorenen Teile als eine kontinuierliche pseudo-viskoelastische Flüssigkeit behandelt werden.

Diese Arbeit konzentriert sich ausschließlich auf die Berechnung dieses Flüssigkeitsverhaltens in einem System aus reinem Wasser. Dies ist sehr nützlich als Proof-of-Concept. Die Kryokonservierung erfordert jedoch CPAs, die sich radikal anders verhalten als Wasser, insbesondere wenn sie unter den Gefrierpunkt gekühlt werden. Einige dieser CPAs sind einzigartig auf dem Gebiet der Kryokonservierung. Aus diesem Grund müssen ihre Materialeigenschaften für die Verwendung in Computermodellen noch experimentell gemessen werden.

„Wir sind dabei, viele Daten von unseren Mitarbeitern zu erhalten“, erklärt Solanki. „Wir sind eines der ganz wenigen Ingenieurlabore, die auf diesem Gebiet arbeiten. Eine der großen Aufgaben in unserem Labor besteht also darin, die Materialeigenschaften dieser Chemikalien zu finden.“

Das Team hat bereits einige dieser Materialeigenschaften gemessen und seine Forschungsarbeit liefert eine Datenbank für die temperaturabhängigen Dichten und Wärmeausdehnungskoeffizienten einiger dieser CPAs.

Bisher war die Kryokonservierung nur bei sehr kleinem Gewebe wie Embryonen und Stammzellen erfolgreich. „Bei größeren Exemplaren gibt es noch einige Herausforderungen“, sagt Solanki. Die größten Gewebestücke, die wir erfolgreich konserviert haben, waren menschliche Blutgefäße, und es wird an der Konservierung ganzer menschlicher Eierstöcke geforscht.

Solanki merkt an, dass wir noch umfangreiche Forschung brauchen, bevor wir ganze Gliedmaßen und Organe erhalten können, aber er ist optimistisch, was die Zukunft des Feldes angeht.