Cryoconserver les tissus et les organes sans les endommager nécessite une danse délicate à travers les principes de la thermodynamique. Le laboratoire de technologie biothermique de l’Université Carnegie Mellon a une nouvelle approche de modélisation pour la préservation isochore afin de faire avancer les travaux. Prem Solanki et Yoed Rabin ont développé une nouvelle façon de modéliser la solidification des fluides dans des volumes confinés, avec des applications à la préservation des organes et des tissus. Leurs recherches sont publiées dans PLOS ONE.
La cryogénie est l’étude, la production et l’utilisation des températures froides. La cryoconservation est l’étude et la pratique du stockage des biomatériaux à basse température. Le domaine a presque 70 ans. Les applications pratiques de la cryoconservation comprennent la préservation des cellules souches, des spermatozoïdes, des embryons, des cornées, des îlots pancréatiques et d’autres biomatériaux. La cryoconservation est également utilisée pour la biobanque de graines et de tissus végétaux.
Le potentiel de la cryoconservation est énorme. Aujourd’hui, la recherche sur la cryoconservation se concentre sur la préservation d’organes entiers pour un stockage et une viabilité à long terme, dont le succès peut constituer une avancée médicale majeure. Actuellement, des organes comme le cœur, le foie et le pancréas peuvent survivre pendant quelques heures à l’extérieur du corps. La cryoconservation a le potentiel d’étendre ce délai à plusieurs jours, voire plus.
« Idéalement, nous aimerions conserver les organes pour une durée indéterminée afin d’avoir une banque d’organes à partir de laquelle nous pouvons résoudre un certain nombre de problèmes, notamment avoir une disponibilité constante d’organes et de tissus à la demande pour la transplantation », explique Solanki. , chercheur postdoctoral en génie mécanique.
Le domaine de la cryoconservation évolue à un rythme glacial car le processus comporte de nombreux défis. Lorsque les tissus organiques gèlent dans des conditions incontrôlées, ils ont tendance à mourir. La région gelée du tissu cesse de recevoir du sang riche en oxygène, ce qui détériore rapidement les tissus en raison d’une lésion ischémique, une lésion causée par un manque de circulation sanguine. Au niveau microscopique, la formation de cristaux de glace peut faire éclater les cellules, et au niveau macroscopique, le stress thermique peut rompre les vaisseaux sanguins, ce qui rend le tissu non viable lorsqu’il est décongelé.
Pour contrer cela, les scientifiques remplacent l’eau dans les tissus par une solution similaire à l’antigel, connue sous le nom d ‘«agents cryoprotecteurs» (CPA), permettant au tissu d’être refroidi en dessous de zéro sans formation de cristaux de glace. Cependant, les ingrédients des CPA sont souvent toxiques pour les tissus organiques, nécessitant des concentrations très particulières de ces ingrédients dans les solutions.
Une alternative au problème de la formation de glace est la cryoconservation isochore, gelant le tissu tout en maintenant un volume constant à l’intérieur de la chambre. « L’idée de la conservation isochore est que vous permettez à une certaine formation de glace de sorte que l’échantillon de tissu soit conservé dans la partie liquide de la solution », explique Solanki.
La formation de glace se produit près des parois du récipient, les tissus délicats étant stockés en toute sécurité au centre. La solution se dilate en volume, mais les parois rigides de la chambre de conservation l’arrêtent. La seule autre option pour la solution est d’augmenter la pression, ce qui réduit la température à laquelle la solution gèle. Cela permet au tissu d’être stocké à des températures inférieures au point de congélation tout en restant en suspension dans une solution liquide.
La préservation isochorique est ce qu’étudient Solanki et Rabin, professeur de génie mécanique. Alors que la conservation isochore semble prometteuse pour l’avenir de la cryoconservation, elle est actuellement extrêmement difficile à modéliser mathématiquement. La glace se comporte très différemment de l’eau liquide, et il est difficile de déterminer où la glace se formera dans un système et comment ces « fronts de congélation » interagissent avec l’eau liquide.
Les dernières recherches de l’équipe proposent une nouvelle méthode pour modéliser le processus de refroidissement isochore qui traite les parties congelées et non congelées comme un fluide pseudo-viscoélastique continu.
Ce travail se concentre entièrement sur le calcul de ces comportements de fluides dans un système d’eau pure. Ceci est très utile comme preuve de concept. Cependant, la cryoconservation nécessite des CPA qui se comportent radicalement différemment de l’eau, en particulier lorsqu’ils sont refroidis en dessous des températures de congélation. Certains de ces CPA sont uniques au domaine de la cryoconservation. Pour cette raison, leurs propriétés matérielles n’ont pas encore été mesurées expérimentalement pour être utilisées dans des modèles informatiques.
« Nous sommes en train d’obtenir beaucoup de données de nos collaborateurs », explique Solanki. « Nous sommes l’un des rares laboratoires d’ingénierie à travailler dans ce domaine. L’une des grandes tâches que nous avons dans notre laboratoire est donc de trouver les propriétés matérielles de ces produits chimiques. »
L’équipe a déjà mesuré certaines de ces propriétés matérielles et leur document de recherche fournit une base de données pour les densités dépendant de la température et les coefficients de dilatation thermique de certains de ces CPA.
Pour l’instant, la cryoconservation n’a réussi que sur de très petits tissus, comme les embryons et les cellules souches. « En ce qui concerne les plus gros spécimens, il reste encore des défis à relever », déclare Solanki. Les plus gros morceaux de tissu que nous avons réussi à préserver sont des vaisseaux sanguins humains et des recherches sont en cours sur la préservation d’ovaires humains entiers.
Solanki note que nous avons encore besoin de recherches approfondies avant de pouvoir préserver des membres et des organes entiers, mais il est optimiste quant à l’avenir du domaine.
Prem K. Solanki et al, Aspects thermomécaniques de la cryoconservation isochore : Une nouvelle approche de modélisation et de comparaison avec des données expérimentales, PLOS ONE (2022). DOI : 10.1371/journal.pone.0267852