Após a perfusão crioprotetora, um paciente não é simplesmente colocado em azoto líquido.
O paciente segue um programa de temperatura controlado por computador que dura vários dias. Sensores dentro do paciente mostram se diferentes regiões anatómicas estão a arrefecer em conjunto ou a separar-se em gradientes térmicos perigosos.
O problema de engenharia altera-se durante a descida. O arrefecimento inicial deve limitar a formação de gelo. Perto e abaixo da transição vítrea, a precisão e a uniformidade térmica tornam-se mais importantes do que a velocidade.
Porque é necessário o arrefecimento controlado
Os agentes crioprotetores reduzem a velocidade de arrefecimento necessária para evitar gelo. Permitem que os tecidos ricos em água entrem num estado altamente viscoso, semelhante ao vidro, em vez de cristalizarem extensivamente.
A temperatura de transição vítrea relevante, designada por Tg, depende da solução, da sua concentração e do método de medição. Trata-se de uma gama, não de um limiar biológico universal.
Para soluções relevantes para a criopreservação humana, esta região situa-se geralmente entre -120°C e -135°C.
Acima dessa região, arrefecer demasiado devagar pode permitir a nucleação e crescimento de gelo. Abaixo dela, o material comporta-se cada vez mais como um sólido frágil.
Se a superfície arrefecer muito mais depressa do que o centro, diferentes regiões contraem-se em quantidades distintas. A tensão termomecânica resultante pode produzir fissuras.
Isto cria um percurso condicionado: arrefecer com rapidez suficiente antes da vitrificação; depois, controlar os gradientes e a velocidade de arrefecimento à medida que o paciente se torna semelhante ao vidro.
Vera diferença entre congelação e vitrificação para o comportamento de fase subjacente.
A primeira caixa de arrefecimento de geração inicial
O primeiro sistema de geração inicial da Tomorrow.bio, designado por caixa de arrefecimento V1, estabeleceu a arquitetura básica para o arrefecimento controlado de todo o corpo.
O paciente é colocado dentro de uma câmara isolada dedicada. Um computador controla o ambiente criogénico da câmara, enquanto termopares medem as temperaturas em múltiplos locais.
O controlador segue uma curva programada, em vez de aplicar arrefecimento máximo de forma contínua. Cada canal de sensor é registado como parte da história térmica do paciente.
Isto já é fundamentalmente diferente da imersão direta. A máquina pode abrandar, manter ou alterar as condições da câmara em resposta ao que o paciente está efetivamente a fazer.
O segundo sistema de geração baseado em dewar
O segundo projeto de geração da Tomorrow.bio move o arrefecimento controlado para um contentor criogénico construído para esse fim.
O paciente permanece dentro do contentor criogénico enquanto uma tampa especializada integra o hardware de arrefecimento, os controlos informáticos, as válvulas, as ligações dos sensores e as passagens dos termopares.
Os termopares são posicionados em vários locais no interior do paciente. Sensores adicionais monitorizam o ambiente térmico no interior do contentor criogénico.
O sistema, assim, observa mais do que o valor de referência solicitado. Observa quão rapidamente diferentes regiões medidas do paciente estão a responder.
O computador ajusta o gradiente de temperatura do contentor criogénico e a taxa de descida para manter essas leituras dentro do envelope permitido pelo protocolo.
Um corpo de grandes dimensões não pode ser perfeitamente isotérmico durante o arrefecimento. O objetivo prático é minimizar a dispersão e evitar que qualquer região medida avance ou atrase perigosamente.
A geometria do contentor criogénico também reduz a manipulação entre o arrefecimento controlado e o armazenamento criogénico. A mesma forma fechada pode proporcionar um ambiente estável e simétrico em redor do paciente.
A temperatura de referência não é a temperatura do paciente
Um controlador pode tornar o ambiente frio rapidamente. Não pode, contudo, fazer com que o centro de um corpo humano atinja instantaneamente essa temperatura.
O calor deve deslocar-se dos tecidos mais profundos para a superfície. A geometria, a composição corporal, a distribuição do crioprotetor e a posição dos sensores afetam o atraso observado.
É por isso que um único sensor na câmara é insuficiente. Um ambiente nominal de -130°C não prova que todas as partes medidas do paciente tenham atingido -130°C.
O sistema de controlo deve considerar tanto a temperatura absoluta como a diferença entre os canais. O ponto mais lento, o ponto mais rápido e a dispersão global transportam cada um informações relevantes.
A calibração, a colocação e a continuidade dos termopares também são importantes. Leituras implausíveis ou falhas nos sensores devem ser sinalizadas em vez de serem silenciosamente integradas na curva.
O programa de temperatura em três fases da Tomorrow.bio
O protocolo atual tem três fases distintas. Os valores são alvos operacionais para este equipamento e abordagem crioprotetora, não constantes universais para todos os sistemas de vitrificação.
1. Descida rápida para -130°C
A primeira fase move o paciente da temperatura do gelo seco para aproximadamente -130°C, tão rapidamente quanto a dispersão de temperatura medida o permitir com segurança.
A velocidade é crucial aqui porque regiões mal protegidas ainda podem formar gelo antes de o tecido se tornar semelhante a vidro.
O computador não segue apenas o tempo decorrido. Monitoriza os termopares e ajusta o ambiente de arrefecimento em redor do paciente.
2. Permitir um ressalto controlado para -120°C
Após atingir aproximadamente -130°C, o arrefecimento ativo é reduzido e o paciente é deixado a aquecer naturalmente até cerca de -120°C.
Esta é uma fase de recozimento. Perto de Tg, o material crioprotegido retém mobilidade molecular suficiente para que algumas tensões mecânicas acumuladas possam relaxar.
O recuo também dá tempo para que as regiões mais quentes e mais frias se aproximem antes de o material ser levado a um estado rígido e vítreo.
O recozimento não reverte danos biológicos pré-existentes. O seu objetivo é mais restrito: reduzir os gradientes térmicos e as tensões criadas pela contração desigual.
3. Descer para -196°C a aproximadamente 1°C por hora
A partir de cerca de -120°C, a descida pretendida é de aproximadamente 1°C por hora até o paciente atingir a temperatura do azoto líquido.
Esse intervalo final de 76 graus demora cerca de três dias, mesmo antes de contabilizar as paragens e ajustes de controlo.
Manter 1°C por hora num corpo grande e termicamente heterogéneo constitui um problema de controlo, não apenas um ajuste de temporizador.
O controlador deve ajustar continuamente o ambiente do dewar para que os termopares internos desçam em conjunto, sem criar gradientes excessivos.
Quando uma região fica para trás, forçar o ambiente a ficar mais frio pode sobrearrefecer outra região. A precisão significa equilibrar todo o campo de sensores, não perseguir uma única leitura.
Por que a fase de recozimento é cientificamente plausível
Investigações em vitrificação em larga escala identificam duas zonas de falha concorrentes: arrefecimento insuficiente acima de Tg e tensão mecânica excessiva em torno e abaixo de Tg.
Um2024 estudo de vitrificação em escala de órgão humanoutilizou múltiplas sondas internas e concluiu que o recozimento reduz gradientes antes de o material entrar na fase vítrea.
O mesmo estudo verificou que o arrefecimento lento abaixo da região de recozimento ajuda a evitar a reconstrução de grandes gradientes e tensões.
Separadoinvestigação termomecânica verificou que o recozimento próximo de Tg altera substancialmente a tensão residual e enfraquece a sua dependência da taxa de arrefecimento precedente.
Estes estudos apoiam a estratégia de controlo subjacente. Não validam, de forma independente, cada ponto de ajuste exato no protocolo de corpo inteiro da Tomorrow.bio.
Corpos humanos inteiros são maiores e mais heterogéneos do que soluções laboratoriais ou órgãos. Registos diretos de temperatura e imagens após arrefecimento continuam a ser necessários.
O que o computador regista
O output útil não é uma mensagem a dizer 'arrefecimento concluído'. É a série temporal completa de todos os canais de temperatura.
O registo deve mostrar taxas, patamares, recuperações, gradientes entre sensores, ações do controlador, alarmes e quaisquer desvios em relação à curva planeada.
Esses dados tornam-se parte daavaliação da qualidade da criopreservação.
Após o arrefecimento, uma TAC padronizada a temperatura de azoto líquido pode detetar a distribuição de crioprotetor, gelo, deformações grosseiras e fraturas que os dados de temperatura por si só não revelam.
Porque terminar a temperatura de azoto líquido
À pressão atmosférica normal, o azoto ferve perto de 77.34 kelvin, aproximadamente -195.8°C, de acordo com oNIST Chemistry WebBook.
O armazenamento em azoto líquido é passivo. Desde que haja azoto líquido suficiente no recipiente, o seu equilíbrio de ebulição mantém um ambiente criogénico estável sem refrigeração mecânica.
A descida controlada termina apenas quando o paciente está termicamente pronto para esse estado estável. O armazenamento não é usado como substituto do arrefecimento.
O projeto e as compensações da próxima fase estão descritos emcontentores criogénicos modernos e armazenamento a temperaturas intermédias.
TL;DR: A Tomorrow.bio utiliza arrefecimento controlado por computador e sensores internos de temperatura. O processo arrefece rapidamente próximo da formação de vidro, alivia tensões térmicas e depois desce lentamente até -196°C.
Ferramenta prática em detalhe
A ferramenta interativa permite examinar a questão deste artigo.
A carregar a ferramenta interativa...
Leitura adicional