Успешное восстановление почки крысы из витрифицированного состояния с помощью нанонагревания
Витрификация — переход жидкости при понижении температуры в стеклообразное состояние — может резко увеличить срок хранения жизнеспособных биоматериалов в криогенном состоянии в течение многих лет. Это давно известный факт, но при этом до сих пор ученые только учатся правильно и равномерно отогревать замороженные образцы.
Текущим клиническим стандартом консервации органов является хранение в холодильнике на льду, что позволяет хранить их в течение 24–36 часов перед трансплантацией почек. Современные методы увеличения безопасного времени консервации включают гипотермическую машинную перфузию, нормотермическую оксигенированную перфузию, и переохлаждение. Каждый метод может уменьшить повреждения органов при консервации и увеличить время такого хранения до пересадки до 1–2 дней. Криоконсервация же тканей и органов при сверхнизких температурах (≤-130 °C) может обеспечить гораздо более длительное хранение органов или даже стать основой для создания настоящих «банков органов», что может значительно увеличить количество и качество донорских хранящихся органов, доступных для трансплантацию и привести к улучшению соответствия донор-реципиент.
В настоящее время основным препятствием для криоконсервации целого органа является нагревание, а не охлаждение. Криозащитные агенты, вводимые через орган, предотвращают повреждающее образование льда, когда они охлаждаются быстрее, чем их так называемая критическая скорость охлаждения (CCR, скорость, необходимая для опережения образования льда во время охлаждения). Это возможно в современных научных лабораториях. Однако критические скорости согревания на порядки выше, а более медленное нагревание, чем CWR, резко увеличивает риск образования льда и необратимого повреждения органа. Точно так же, если нагревание происходит неравномерно по всему органу, возникают температурные градиенты, которые могут вызвать трещины в органе, очень похожие на растрескивание кубика льда, когда его внешняя температура существенно отличается от его внутренней температуры. Кроме того, по мере увеличения размера органа геометрические ограничения проборов для нагрева делают быстрое и равномерное нагревание еще более сложным.
К сожалению, витрифицированные системы объемом ≥3 мл, такие как большие ткани и органы, в настоящее время не могут быть достаточно быстро или равномерно подогреты с помощью обычных конвективных подходов. Новая технология объемного нагревания под названием «нанонагревание» (также используются термины "нанонагрев", "наносогревание") решает эту проблему за счет использования наночастиц, накпример, оксида железа, возбуждаемых радиочастотой, для быстрого и равномерного нагрева крионированных органов и тканевых систем.
В августе 2021 года вышла статья "Vitrification and Nanowarming of Kidneys" ("Витрификация и нанонагревание почек") ряда авторов, а именно: Anirudh Sharma, Joseph Sushil Rao, Zonghu Han, Lakshya Gangwar ,Baterdene Namsrai, Zhe Gao, Hattie L. Ring, Elliott Magnuson, Michael Etheridge, Brian Wowk, Gregory M. Fahy, Michael Garwood, Erik B. Finger, John C. Bischof. При этом как минимум трое из этих ученых ранее уже известны большими научными достижениями в данной области. Все — американцы.
В статье описано — впервые — успешное восстановление почки крысы из витрифицированного состояния с помощью нанонагревания!
Чтобы решить проблему быстрого и равномерного отогрева замороженной почки, команда разработала метод объемного нагрева витрифицированных систем, распределенных внутри биопрепарата. Приложенные переменные поля вызывают быстрое нагревание из-за потерь на магнитный гистерезис. Одним из привлекательных аспектов нанопотепления является то, что оно теоретически может применяться к системам органов человека.
Сначала почки перфузировались (промывались) через почечную артерию криозащитным раствором и покрытыми кремнеземом наночастицами оксида железа (sIONPs). После охлаждения при температуре -40 °C в минуту в морозильной камере с регулируемой скоростью. Для проверки распределения sIONPs и витрифицированного состояния почек использовалась микрокомпьютерная томография (мкКТ). При применении радиочастотного поля для возбуждения распределенных sIONP, витрифицированные почки нагреваются со средней скоростью 63,7 ° C/мин.
Эксперименты и моделирование показывают, что во время этих процессов удается избежать как кристаллизации, так и растрескивания льда. Гистология и конфокальная визуализация показывают, что почки, подвергнутые нанонагреванию, значительно лучше, чем контрольные образцы с конвективным согреванием. Эта работа предполагает, что нанонагревание почек имеет огромные перспективы для трансплантации.
На рисунке:
Схематическая схема нанонагревания почек. Почку гипотермически (0–4 °C) перфузируют CPA (VS55) и sIONP через почечную артерию, затем погружают в криоконтейнер, содержащий VS55+sIONP, и быстро охлаждают до витрифицированного состояния при –150 °C в морозильной камере с регулируемой скоростью. Во время согревания конвективное нагревание на воздухе или в водяной бане приведет к кристаллизации льда из-за недостаточной скорости нагревания и/или растрескиванию от термомеханических градиентов, что повреждает почки. Напротив, нанонагрев почки с использованием радиочастотного магнитного поля приводит к быстрому и равномерному нагреву, сводя к минимуму ущерб от криоконсервации, что приводит к восстановлению, аналогичному контрольной группе.
После восстановления нормального температурного режима ученые выводят наночастицы из образца путем стандартного вымывания.
Другой группой ученых ранее данная методика нанонагрева была протестирована на системе объемом системы в 80 мл, правда, на этот раз без ткани. Но, как оказалось, скорость нагрева была такой же, как и в случае с системами меньших объемов, что можно считать одним из доказательств масштабируемости технологии. «Если коротко, то нанонагрев работает с образцами объемом 1 мл, 50 мл и может быть масштабирован для 80 мл систем», — говорится в публикации авторов разработки.
По мнению ученых, в будущем нагрев при помощи наночастиц может быть применен к образцам гораздо большего объема, вплоть до 1 литра и более. Для справки: объем мозга человека находится в пределах 1250—1600 кубических сантиметров (1,2 - 1,6 литра).
