Вівторок, 22 квітня 2014 р. - Уявіть, що лікарі могли відкривати морозильні камери та відбирати нирки, печінку чи серце для використання в рятувальних операціях. Далі пояснюється, чому цього так важко досягти.
Якщо вам потрібна нова нирка, заміщення серця або інший життєво важливий орган, у вас не багато варіантів. Це тому, що якщо мова йде про здорові органи людини щодо трансплантацій, які можуть врятувати життя, між попитом і пропозицією виникає величезна прірва.
У США в 2013 році було пересаджено 26517 органів, але більше 120 000 пацієнтів перебувають у списку очікування. Простіше кажучи, не вистачає пожертв на всіх.
Що ще гірше, іноді наявні органи витрачаються на витрату, оскільки не мають великого терміну придатності після того, як їх видаляють у донора.
На даний момент найкраще, що ми можемо зробити, - це тримати їх у спеціальному розчині трохи вище 0 градусів Цельсія протягом одного-двох днів, що не дозволяє багато часу знаходити пацієнтів, які є повністю сумісними реципієнтами для їх отримання.
Але можлива відповідь. Якби вчені могли знайти спосіб заморозити органи і повернути їх назад, не завдаючи шкоди, ми могли б зберегти їх тижнями або місяцями.
Те саме можна зробити з органами, розробленими в лабораторії, якщо ми зможемо їх створити. Зважаючи на це, Альянс збереження органічних організацій, що займається лабораторіями університету сингулярності в дослідницькому парку НАСА в Каліфорнії, планує створити мільйонерський приз для тих, хто заохочує прогрес у цьому плані.
Отже, чи можемо ми побачити час, коли хірурги з трансплантації відкривають морозильні камери та відбирають нирки, печінку або серце для виконання рятувальних операцій?
Вчені протягом 40 років кріоконсервують або успішно заморожують невеликі групи людських клітин.
Вони зберігають овули та ембріони, затоплюючи клітини розчинами так званих кріопротекторних сполук, які перешкоджають утворенню кристалів льоду, які можуть зруйнувати клітини, а також захищають їх від смертельного скорочення.
На жаль, вони стикаються з великими перешкодами, коли намагаються реалізувати цей процес у більш масштабному масштабі, оскільки архітектура всередині найскладніших органів і тканин набагато більш вразлива до пошкоджень, пов’язаних з кришталевими льодами.
Однак невелика група дослідників не здалася і готується до виклику, частково, дотримуючись підказки природи.
Наприклад, крижана риба в Антарктиді виживає у дуже холодних водах при -2 градусах Цельсія завдяки білкам антифризу (АФП), які знижують точку замерзання рідин їхнього тіла та зв’язуються з Кристали льоду, щоб зупинити його поширення.
Дослідники використовували розчини, що містять Антарктичні риби з льодовою рибою, щоб зберегти серця щурів на термін до 24 годин при кількох градусах нижче нуля.
Однак при більш низькій температурі зустрічаються контрпродуктивні ефекти в АФП цієї тварини: вони змушують утворення кристалів льоду утворювати гострі точки, що пронизують клітинні мембрани.
Ще одна антифризова сполука, нещодавно виявлена в аласкінському жука, яка може переносити -60 ° С, може бути кориснішою.
Але самі антифризи не справляються із цим. Це відбувається тому, що заморожування також руйнує клітини, впливаючи на надходження рідини в них і поза ними.
Лід утворюється в просторах між клітинами, зменшуючи об'єм рідини і збільшуючи концентрацію розчинених солей та інших іонів. Вода вибігає з клітин назовні, щоб компенсувати, внаслідок чого вони в'януть і гинуть.
У яйцеклітинах та ембріонах дуже корисні такі кріопротекторні сполуки, як гліцерин: вони не лише витісняють воду для запобігання утворення льоду всередині клітин, але й допомагають запобігти скороченню клітин та їх загибелі.
Проблема полягає в тому, що ці сполуки не можуть працювати з тією ж магією в органах. З одного боку, клітини тканин набагато більш сприйнятливі до проникнення льоду.
І навіть коли клітини захищені, кристали льоду, що утворюються в проміжках між ними, руйнують позаклітинні структури, які утримують орган разом і полегшують його функціонування.
Один із способів подолати небезпеку обмерзання - не допустити цього. Ось чому деякі вчені прагнуть до методики, яка називається вітрифікацією, завдяки якій тканини стають настільки холодними, що стають склом без льоду.
Цей метод уже використовується в деяких клініках фертильності і дав деякі найбільш обнадійливі результати на сьогодні щодо збереження складних тканин.
Наприклад, у 2000 році, Майк Тейлор та його колеги із клітинних та тканинних систем у Чарлстоні, Південна Кароліна, скріплені 5 см довжиною сегментів вени кролика, яка розташована між клітинами та органами з точки зору складність і показали, що вони зберігають більшу частину своєї функції після нагрівання.
Через два роки Грег Фахі та його колеги з Каліфорнійської дослідницької компанії з кріоконсервації, заснованої в Каліфорнії, здійснили прорив: вони застерили нирку кролика, зберігаючи її нижче температури скляного переходу - 122 градуси Цельсія протягом 10 хвилин, перед тим як розморозити і пересадити його кролику, який прожив 48 днів до того, як його зарізали для обстеження.
"Вперше життєво важливий орган з подальшим життєвим забезпеченням був кріоконсервований і пересаджений", - каже Фагі. "Це було доказом того, що це реальна пропозиція".
Але нирка працювала не так добре, як здоровий варіант, головним чином тому, що певна частина, мозок, зайняла більше часу, щоб поглинути розчин кріопротекторів, а це означало, що на ньому під час розморожування утворюється якийсь лід.
"Хоча ми були в чудовому настрої, ми також знали, що треба вдосконалюватися", - додає Фахі.
«Це найближче до нас, - ми каже Тейлор, додаючи застережливу ноту. "Це було більше 10 років тому, і якщо методика була достатньо надійною, то повинні були бути повідомлення та подальші дослідження, що підтверджують цю знахідку, чогось не існувало".
Частково прогрес прогресує повільно, говорить Фахі, оскільки він перестав виробляти хімічну речовину, яка була ключовою частиною його методу. Однак його група відновила свою позицію і вийшла назустріч: на щорічних зборах Товариства кріобіології у 2013 році Фахі представив метод, що дозволяє шнуру швидше завантажуватися кріопротекторами.
Незважаючи на оптимізм Фагі, зрозуміло, що якщо мова йде про збереження великих органів, то вітрифікація постає перед грізними проблемами. Для початку потрібні високі концентрації кріопротекторів (принаймні в п’ять разів більше, ніж при звичайному повільному охолодженні), які можуть отруїти клітини та тканини, які вони повинні захищати.
Проблема посилюється з більшими тканинами, оскільки потрібно більше часу для завантаження сполук, а це означає повільніші часи охолодження та більше можливостей для впливу токсичних речовин. Крім того, якщо охолодження занадто швидке або досягає занадто низьких температур, можуть з’явитися тріщини.
Цей надзвичайно делікатний процес нагріву створює більше перешкод. Якщо склоподібний зразок не нагрівається швидко або досить рівномірно, склоподібність поступається місцем кристалізації, може статися процес, відомий як девітрифікація і, знову ж таки, розтріскування.
(Це) - це виклик, який ми ще не подолали, - каже Джон Бішоф, кріобіолог та інженер з університету Міннесоти. - Обмежуючим фактором є швидкість та рівномірність, за допомогою яких ми можемо її розморожувати. "І це тому, що Утеплення зазвичай проводиться ззовні всередину.
Минулого року Бішоф та аспірант Майкл Етерідж запропонували спосіб вирішення проблеми: додати магнітні наночастинки до розчину кріопротекторів.
Ідея полягає в тому, що частинки розсіюються по тканині і, колись збуджені магнітними полями, нагрівають все швидко і рівномірно. Наразі дует працює з Тейлором та його колегами для тестування методу в артеріях кроликів.
Здебільшого прогрес у цій галузі відбувся шляхом спроб та помилок: тестування комбінацій розчинів та методів заморожування та відтавання.
Але дослідники також почали користуватися новими технологіями, щоб більш ретельно вивчити, як лід веде себе в клітинах і тканинах.
Якщо процеси зрозуміти докладно, можна очікувати, що інноваційні та ефективніші методи можуть бути розроблені для управління ними.
За останні 12 місяців у цій галузі спостерігаються значні успіхи. Тейлор, який працює з Йоєдом Рабіном, інженером-механіком університету Карнегі Меллона в Пітсбурзі, представив новий пристрій, що дозволяє візуалізувати повнокольорові теплові зображення високої роздільної здатності на тканинах великого об'єму.
Тим часом Єнс Карлссон з Університету Віланова в Пенсильванії нещодавно зафіксував ультра повільні мікроскопічні відеопослідовності з моменту, коли лід потрапляє в маленькі кишені між двома щільно пов'язаними клітинами, а потім викликає кристалізацію всередині них.
Перспективи цих методів можуть принести нові ідеї щодо маніпулювання процесом заморожування, говорить Карлссон, який намагається розібратися, як кріоконсервувати тканини шляхом ретельного контролю процесу заморожування та відтавання, а не через вітрифікації.
Одна з можливостей полягає в генетичному конструюванні клітин, які можна переконати утворювати клітинні клітинні стики, здатні протистояти кріоконсервації. Наступним завданням було б знайти спосіб спрямувати утворення позаклітинного льоду, щоб він не впливав на функцію органу.
Карлссон також готовий використовувати комп'ютерне моделювання процесу заморожування, щоб ефективно перевірити мільйони можливих протоколів.
"Нам потрібні ці типи інструментів для прискорення прогресу", - каже Карлссон, який порівнює завдання із "спробою досягти Місяця з частиною коштів, виділених на ці зусилля".
Навіть з обмеженими ресурсами область показала, що кріоконсервація без льоду практична для дрібних тканин, наприклад, сегмента судин. "Бар'єр, який залишається, і який є важливим, - каже Тейлор, - полягає в масштабуванні його до людського органу".
Для Карлссона, який підозрює, що подібні зусилля "можуть наткнутися на стіну", перш ніж вітрифікація коли-небудь служить людським органам, методи заморожування (або те, що він називає методами на основі льоду) являють собою рівний або навіть шлях Більш надійні до успіху.
Але є одне останнє поняття, яке слід сприймати серйозно. "Жодна техніка кріоконсервації не забезпечує 100% виживання компонентних клітин", - каже Тейлор.
"У багатьох застосуваннях це можна допустити, але для одного органу це може означати значну ступінь пошкодження при ремонті після зберігання або пересадки".
Зрештою, це означає, що якими б криоконсервованими зразками не були, вони, швидше за все, мають нижчу якість порівняно з нещодавно придбаними органами.
Джерело:
Теги:
Глосарій Харчування Психологія
Якщо вам потрібна нова нирка, заміщення серця або інший життєво важливий орган, у вас не багато варіантів. Це тому, що якщо мова йде про здорові органи людини щодо трансплантацій, які можуть врятувати життя, між попитом і пропозицією виникає величезна прірва.
У США в 2013 році було пересаджено 26517 органів, але більше 120 000 пацієнтів перебувають у списку очікування. Простіше кажучи, не вистачає пожертв на всіх.
Що ще гірше, іноді наявні органи витрачаються на витрату, оскільки не мають великого терміну придатності після того, як їх видаляють у донора.
На даний момент найкраще, що ми можемо зробити, - це тримати їх у спеціальному розчині трохи вище 0 градусів Цельсія протягом одного-двох днів, що не дозволяє багато часу знаходити пацієнтів, які є повністю сумісними реципієнтами для їх отримання.
Але можлива відповідь. Якби вчені могли знайти спосіб заморозити органи і повернути їх назад, не завдаючи шкоди, ми могли б зберегти їх тижнями або місяцями.
Те саме можна зробити з органами, розробленими в лабораторії, якщо ми зможемо їх створити. Зважаючи на це, Альянс збереження органічних організацій, що займається лабораторіями університету сингулярності в дослідницькому парку НАСА в Каліфорнії, планує створити мільйонерський приз для тих, хто заохочує прогрес у цьому плані.
Чи можна кріоконсервувати?
Отже, чи можемо ми побачити час, коли хірурги з трансплантації відкривають морозильні камери та відбирають нирки, печінку або серце для виконання рятувальних операцій?
Вчені протягом 40 років кріоконсервують або успішно заморожують невеликі групи людських клітин.
Вони зберігають овули та ембріони, затоплюючи клітини розчинами так званих кріопротекторних сполук, які перешкоджають утворенню кристалів льоду, які можуть зруйнувати клітини, а також захищають їх від смертельного скорочення.
На жаль, вони стикаються з великими перешкодами, коли намагаються реалізувати цей процес у більш масштабному масштабі, оскільки архітектура всередині найскладніших органів і тканин набагато більш вразлива до пошкоджень, пов’язаних з кришталевими льодами.
Однак невелика група дослідників не здалася і готується до виклику, частково, дотримуючись підказки природи.
Наприклад, крижана риба в Антарктиді виживає у дуже холодних водах при -2 градусах Цельсія завдяки білкам антифризу (АФП), які знижують точку замерзання рідин їхнього тіла та зв’язуються з Кристали льоду, щоб зупинити його поширення.
Дослідники використовували розчини, що містять Антарктичні риби з льодовою рибою, щоб зберегти серця щурів на термін до 24 годин при кількох градусах нижче нуля.
Однак при більш низькій температурі зустрічаються контрпродуктивні ефекти в АФП цієї тварини: вони змушують утворення кристалів льоду утворювати гострі точки, що пронизують клітинні мембрани.
Ще одна антифризова сполука, нещодавно виявлена в аласкінському жука, яка може переносити -60 ° С, може бути кориснішою.
Але самі антифризи не справляються із цим. Це відбувається тому, що заморожування також руйнує клітини, впливаючи на надходження рідини в них і поза ними.
Лід утворюється в просторах між клітинами, зменшуючи об'єм рідини і збільшуючи концентрацію розчинених солей та інших іонів. Вода вибігає з клітин назовні, щоб компенсувати, внаслідок чого вони в'януть і гинуть.
У яйцеклітинах та ембріонах дуже корисні такі кріопротекторні сполуки, як гліцерин: вони не лише витісняють воду для запобігання утворення льоду всередині клітин, але й допомагають запобігти скороченню клітин та їх загибелі.
Проблема полягає в тому, що ці сполуки не можуть працювати з тією ж магією в органах. З одного боку, клітини тканин набагато більш сприйнятливі до проникнення льоду.
І навіть коли клітини захищені, кристали льоду, що утворюються в проміжках між ними, руйнують позаклітинні структури, які утримують орган разом і полегшують його функціонування.
Вітрифікація
Один із способів подолати небезпеку обмерзання - не допустити цього. Ось чому деякі вчені прагнуть до методики, яка називається вітрифікацією, завдяки якій тканини стають настільки холодними, що стають склом без льоду.
Цей метод уже використовується в деяких клініках фертильності і дав деякі найбільш обнадійливі результати на сьогодні щодо збереження складних тканин.
Наприклад, у 2000 році, Майк Тейлор та його колеги із клітинних та тканинних систем у Чарлстоні, Південна Кароліна, скріплені 5 см довжиною сегментів вени кролика, яка розташована між клітинами та органами з точки зору складність і показали, що вони зберігають більшу частину своєї функції після нагрівання.
Через два роки Грег Фахі та його колеги з Каліфорнійської дослідницької компанії з кріоконсервації, заснованої в Каліфорнії, здійснили прорив: вони застерили нирку кролика, зберігаючи її нижче температури скляного переходу - 122 градуси Цельсія протягом 10 хвилин, перед тим як розморозити і пересадити його кролику, який прожив 48 днів до того, як його зарізали для обстеження.
"Вперше життєво важливий орган з подальшим життєвим забезпеченням був кріоконсервований і пересаджений", - каже Фагі. "Це було доказом того, що це реальна пропозиція".
Але нирка працювала не так добре, як здоровий варіант, головним чином тому, що певна частина, мозок, зайняла більше часу, щоб поглинути розчин кріопротекторів, а це означало, що на ньому під час розморожування утворюється якийсь лід.
"Хоча ми були в чудовому настрої, ми також знали, що треба вдосконалюватися", - додає Фахі.
«Це найближче до нас, - ми каже Тейлор, додаючи застережливу ноту. "Це було більше 10 років тому, і якщо методика була достатньо надійною, то повинні були бути повідомлення та подальші дослідження, що підтверджують цю знахідку, чогось не існувало".
Частково прогрес прогресує повільно, говорить Фахі, оскільки він перестав виробляти хімічну речовину, яка була ключовою частиною його методу. Однак його група відновила свою позицію і вийшла назустріч: на щорічних зборах Товариства кріобіології у 2013 році Фахі представив метод, що дозволяє шнуру швидше завантажуватися кріопротекторами.
Незважаючи на оптимізм Фагі, зрозуміло, що якщо мова йде про збереження великих органів, то вітрифікація постає перед грізними проблемами. Для початку потрібні високі концентрації кріопротекторів (принаймні в п’ять разів більше, ніж при звичайному повільному охолодженні), які можуть отруїти клітини та тканини, які вони повинні захищати.
Проблема посилюється з більшими тканинами, оскільки потрібно більше часу для завантаження сполук, а це означає повільніші часи охолодження та більше можливостей для впливу токсичних речовин. Крім того, якщо охолодження занадто швидке або досягає занадто низьких температур, можуть з’явитися тріщини.
Цей надзвичайно делікатний процес нагріву створює більше перешкод. Якщо склоподібний зразок не нагрівається швидко або досить рівномірно, склоподібність поступається місцем кристалізації, може статися процес, відомий як девітрифікація і, знову ж таки, розтріскування.
(Це) - це виклик, який ми ще не подолали, - каже Джон Бішоф, кріобіолог та інженер з університету Міннесоти. - Обмежуючим фактором є швидкість та рівномірність, за допомогою яких ми можемо її розморожувати. "І це тому, що Утеплення зазвичай проводиться ззовні всередину.
Минулого року Бішоф та аспірант Майкл Етерідж запропонували спосіб вирішення проблеми: додати магнітні наночастинки до розчину кріопротекторів.
Ідея полягає в тому, що частинки розсіюються по тканині і, колись збуджені магнітними полями, нагрівають все швидко і рівномірно. Наразі дует працює з Тейлором та його колегами для тестування методу в артеріях кроликів.
Лід в дії
Здебільшого прогрес у цій галузі відбувся шляхом спроб та помилок: тестування комбінацій розчинів та методів заморожування та відтавання.
Але дослідники також почали користуватися новими технологіями, щоб більш ретельно вивчити, як лід веде себе в клітинах і тканинах.
Якщо процеси зрозуміти докладно, можна очікувати, що інноваційні та ефективніші методи можуть бути розроблені для управління ними.
За останні 12 місяців у цій галузі спостерігаються значні успіхи. Тейлор, який працює з Йоєдом Рабіном, інженером-механіком університету Карнегі Меллона в Пітсбурзі, представив новий пристрій, що дозволяє візуалізувати повнокольорові теплові зображення високої роздільної здатності на тканинах великого об'єму.
Тим часом Єнс Карлссон з Університету Віланова в Пенсильванії нещодавно зафіксував ультра повільні мікроскопічні відеопослідовності з моменту, коли лід потрапляє в маленькі кишені між двома щільно пов'язаними клітинами, а потім викликає кристалізацію всередині них.
Перспективи цих методів можуть принести нові ідеї щодо маніпулювання процесом заморожування, говорить Карлссон, який намагається розібратися, як кріоконсервувати тканини шляхом ретельного контролю процесу заморожування та відтавання, а не через вітрифікації.
Одна з можливостей полягає в генетичному конструюванні клітин, які можна переконати утворювати клітинні клітинні стики, здатні протистояти кріоконсервації. Наступним завданням було б знайти спосіб спрямувати утворення позаклітинного льоду, щоб він не впливав на функцію органу.
Карлссон також готовий використовувати комп'ютерне моделювання процесу заморожування, щоб ефективно перевірити мільйони можливих протоколів.
"Нам потрібні ці типи інструментів для прискорення прогресу", - каже Карлссон, який порівнює завдання із "спробою досягти Місяця з частиною коштів, виділених на ці зусилля".
Навіть з обмеженими ресурсами область показала, що кріоконсервація без льоду практична для дрібних тканин, наприклад, сегмента судин. "Бар'єр, який залишається, і який є важливим, - каже Тейлор, - полягає в масштабуванні його до людського органу".
Для Карлссона, який підозрює, що подібні зусилля "можуть наткнутися на стіну", перш ніж вітрифікація коли-небудь служить людським органам, методи заморожування (або те, що він називає методами на основі льоду) являють собою рівний або навіть шлях Більш надійні до успіху.
Але є одне останнє поняття, яке слід сприймати серйозно. "Жодна техніка кріоконсервації не забезпечує 100% виживання компонентних клітин", - каже Тейлор.
"У багатьох застосуваннях це можна допустити, але для одного органу це може означати значну ступінь пошкодження при ремонті після зберігання або пересадки".
Зрештою, це означає, що якими б криоконсервованими зразками не були, вони, швидше за все, мають нижчу якість порівняно з нещодавно придбаними органами.
Джерело:
