Новый подход к моделированию продвигает криоконсервацию

Исследователи из Лаборатории биотехнологий Университета Карнеги-Меллон разработали новый метод моделирования затвердевания жидкостей в ограниченном объеме для применения в криоконсервации органов и тканей. Работа Према Сола́нки и Йоеда Рабина опубликована в PLOS ONE.

Потенциал и проблемы криоконсервации

• Практическое применение включает сохранение стволовых клеток, сперматозоидов, эмбрионов, роговиц, панкреатических островков и других биоматериалов.
• Главная цель — долгосрочное сохранение целых органов для трансплантации, что может увеличить срок их жизнеспособности с нескольких часов до нескольких дней или дольше.
• Основные проблемы: ишемическое повреждение из-за прекращения кровотока, разрушение клеток кристаллами льда и повреждение сосудов термическим стрессом.

Роль криопротекторных агентов (CPAs)

• Для предотвращения образования льда воду в тканях заменяют растворами CPA, похожими на антифриз.
• Однако компоненты CPA часто токсичны для ткани и требуют точной концентрации.

Альтернатива: изохорное сохранение

• Метод предполагает заморозку ткани при постоянном объеме камеры.
• Лед образуется у стенок контейнера, а нежная ткань остается в жидкой части раствора в центре.
• Жесткие стенки камеры препятствуют расширению, что приводит к росту давления и снижению температуры замерзания раствора.

Новый метод моделирования

• Исследователи предложили новый способ моделирования изохорного охлаждения, рассматривая замерзшие и незамерзшие части как одну непрерывную псевдовязкоупругую жидкость.
• Пока работа сосредоточена на моделировании поведения чистой воды как доказательства концепции.
• Для реальной криоконсервации необходимы CPA, чьи свойства (особенно при температурах ниже нуля) радикально отличаются от воды и еще недостаточно изучены для компьютерного моделирования.

Текущий прогресс и перспективы

• Команда уже измерила некоторые материальные свойства CPA и предоставила в статье базу данных температурно-зависимой плотности и коэффициентов теплового расширения для некоторых из них.
• На сегодня криоконсервация успешна только для очень малых образцов тканей (эмбрионы, стволовые клетки). Самые крупные из успешно сохраненных — человеческие кровеносные сосуды; ведутся исследования по сохранению целых яичников.
• Для сохранения целых конечностей и органов требуется обширное дальнейшее исследование, но будущее области выглядит оптимистично.