Новая теоретическая разработка делает шаг к безопасной длительной криоконсервации

Лаборатория биотермальных технологий Университета Карнеги-Меллона (США) предлагает новый подход к криоконсервации. Прем Соланки и Йоэд Рабин разработали новый способ моделирования затвердевания жидкостей в замкнутых объемах, применимый для сохранения органов и тканей. Исследование опубликовано в PLOS ONE, о результатах сообщили в университете.

Криоконсервация — это хранение биоматериалов при низких температурах. Технологию используют уже несколько десятилетий. Практическое применение криоконсервации — сохранение стволовых клеток, спермы, эмбрионов, роговицы, островков поджелудочной железы и других биоматериалов. Криоконсервация также используется для создания биобанков семян и тканей растений.

Сегодня исследования в области криоконсервации сосредоточены на сохранении целых органов. Если это удастся сделать, это может стать прорывом в области медицины. В настоящее время такие органы, как сердце, печень и поджелудочная железа, могут существовать вне тела и после сохранить жизнеспособность лишь в течение нескольких часов.

«В идеале мы хотели бы сохранить органы на неопределенный срок, чтобы создать банк органов», — говорит Соланки.

Когда органическая ткань замерзает в неконтролируемых условиях, она в большинстве случаев погибает. Замороженная область перестает получать кровь и быстро разрушается из-за ишемического повреждения. На микроскопическом уровне образование кристаллов льда приводит к разрыву клеток, а на макроскопическом — к разрыву кровеносных сосудов. Все это делает ткань нежизнеспособной при оттаивании.

Чтобы противостоять этому, ученые заменяют воду в тканях раствором, подобным антифризу, вещества называются «криозащитные агенты» (КЗА). Они позволяют ткани охлаждаться ниже точки замерзания без образования кристаллов льда. Однако ингредиенты КЗА токсичны для органики, поэтому много и долго их использовать нельзя.

Альтернативой является изохорная криоконсервация — замораживание ткани при сохранении постоянного объема внутри камеры.

«Идея изохорного сохранения заключается в том, что вы допускаете некоторое образование льда, но образец ткани сохраняется в жидкой части раствора», — говорит Соланки.

Ледообразование происходит у стенок контейнера, а нежная ткань надежно хранится в центре. Раствор расширяется в объеме, но твердые стенки консервационной камеры останавливают его. Если повысить давление, это снизит температуру замерзания раствора. Таким образом ткань сохранится при температуре ниже точки замерзания, находясь при этом в жидком растворе.

Хотя изохорная консервация выглядит многообещающе, в настоящее время ее чрезвычайно сложно смоделировать математически. Лед ведет себя совсем иначе, чем жидкая вода, и трудно определить, где именно образуется лед и как эти «фронты замерзания» взаимодействуют с жидкой водой.

Новый метод моделирования процесса изохорного охлаждения рассматривает замороженные и незамерзшие части как одну непрерывную псевдовязкоупругую жидкость. Работа полностью посвящена расчету поведения этих жидкостей применительно к чистой воде. Однако для криоконсервации требуются КЗА, а они ведут себя радикально иначе, чем вода, особенно при охлаждении. Свойства этих материалов еще предстоит измерить экспериментально.

В новом исследовании ученые уже измерили свойства некоторых. Результат их работы — база данных зависимых от температуры плотностей и коэффициентов теплового расширения некоторых КЗА.

Соланки отмечает, что все еще нужны обширные исследования, прежде чем получится сохранить надолго целые конечности и органы, но он с оптимизмом смотрит в будущее этой области исследований.