kryonikDie Kryokonservierung, die Konservierung von Geweben und Organen bei niedrigen Temperaturen, bietet die Möglichkeit der "Scheintotalisierung" und der langfristigen Lagerung für eine künftige Verwendung. Obwohl die Idee vielversprechend zu sein scheint, gibt es mehrere Herausforderungen, um eine erfolgreiche Kryokonservierung zu erreichen, insbesondere bei großen Mengen. Ein Hauptproblem ist die Rekristallisation - das Wachstum von Eiskristallen beim Wiedererwärmen, die Zellen und Gewebe schädigen können. Eine kontrollierte Wiedererwärmung mit hohen Geschwindigkeiten ist entscheidend für die Überwindung dieses Problems, doch ist es schwierig, dies bei großen Proben gleichmäßig zu erreichen.
Ein neuer Ansatz: Fokussierter Ultraschall
Eine neue Proof-of-Concept-Studie hat gezeigt, dass mit Hilfe von hochintensiven fokussierten Ultraschallwellen (HIFU) eine schnelle Wiedererwärmung erreicht werden kann, um eine Rekristallisation während der Kryokonservierung zu vermeiden. HIFU nutzt akustische Wellen, um gezielt Wärme an einem Brennpunkt zu erzeugen. In der in Scientific Reports veröffentlichten Studie wurde HIFU zur erfolgreichen Kryokonservierung und Wiederaufwärmung des Fadenwurms Caenorhabditis elegans eingesetzt .
HIFU hat mehrere Vorteile für die Kryokonservierung. Es entstehen keine stationären Erwärmungsmuster, und ein thermisches Durchgehen wird vermieden, was eine präzise Steuerung der Wiedererwärmungsraten ermöglicht. Sie kann auch mit herkömmlichen Kryoprotektoren verwendet und in Echtzeit mit Magnetresonanztomographie (MRT) überwacht werden. Wichtig ist, dass HIFU mit Hilfe von Schallkopfanordnungen auf größere Probenvolumina skalierbar ist. Diese Eigenschaften machen HIFU zu einem vielversprechenden Instrument für die schnelle und gleichmäßige Wiedererwärmung, die für eine erfolgreiche Kryokonservierung von Geweben und Organen erforderlich ist.
Der Beweis des Prinzips: Kryokonservierung von C. elegans
Um die Machbarkeit von HIFU für die Kryokonservierung zu demonstrieren, verwendeten die Forscher C. elegans als Tiermodellsystem. C. elegans ist ein gut untersuchter Modellorganismus, der in vielen Labors eingesetzt wird und über einen vollständigen Satz von Organen verfügt. Populationen von etwa 200 Würmern in allen Lebensstadien wurden mit einer Standardmethode des langsamen Einfrierens in 15 % Glycerin kryokonserviert und zur Lagerung auf -80 °C gekühlt.
Nach 48 Stunden wurden die Würmer entweder mit HIFU oder mit herkömmlichen Methoden (Luft- oder Wasserbad) wieder aufgewärmt. Das konventionelle Wiederaufwärmen führte zu einer Überlebensrate von nur 35 % bei den frühen Larvenstadien und 0 % bei den erwachsenen Würmern, was die Notwendigkeit einer schnelleren Wiederaufwärmung zeigt.
Optimierung der HIFU-Parameter
Zur Optimierung der HIFU-Parameter wurde eine Reihe von 53 Experimenten durchgeführt, bei denen die Wiedererwärmungsrate und die Expositionszeit variiert wurden. Die Wiedererwärmungsrate wurde von -60 bis -40 °C gemessen, wo die Rekristallisation am wahrscheinlichsten ist. Sie fanden heraus, dass höhere Wiederaufwärmungsraten von 157,8°C/min und 217,8°C/min bei einer Anwendungsdauer von 60-70 Sekunden zu den höchsten Überlebensraten führten.
Eine unzureichende HIFU-Bestrahlung (weniger als 50 Sekunden) führte nicht zu einer ausreichend schnellen Wiedererwärmung und führte zu keiner Überlebensrate. Eine zu lange Bestrahlung (über 70 Sekunden) verringerte ebenfalls die Überlebensrate, wahrscheinlich aufgrund von Überhitzung. Bei den optimalen Parametern von 217,8 °C/min für 70 Sekunden erreichten die Überlebensraten in allen Lebensstadien 90 %, verglichen mit nur 35 % für frühe Larvenstadien und 0 % für adulte Tiere bei konventioneller Wiedererwärmung.
Die Forscher simulierten den Versuchsaufbau auch mit Hilfe von Finite-Elemente-Modellen, um die Abmessungen des Fokusbereichs zu bestimmen und die Aufwärmraten zu überprüfen. Die höchste erreichte Temperatur lag innerhalb von 10 °C zwischen den einzelnen Punkten der Proben, was die mit HIFU erreichbare Präzision belegt.
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Skalierbarkeit und Anwendungsmöglichkeiten
Ein entscheidender Vorteil der HIFU ist, dass sie für größere Probenvolumina skalierbar ist. Die Forscher haben in dieser Studie einen einzelnen Schallkopf verwendet, aber eine Erhöhung der Anzahl der Schallköpfe in einem Array könnte eine gezielte Wiedererwärmung von Geweben und ganzen Organen ermöglichen. Die HIFU-Wiedererwärmung könnte auch in Echtzeit mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) überwacht werden, was eine präzise Steuerung der Erwärmung ermöglicht.
Die erfolgreiche Kryokonservierung und Wiederherstellung von C. elegans in allen Lebensstadien zeigt das Potenzial der HIFU-Wiedererwärmung für die langfristige Biobankierung zahlreicher Probentypen. Auch wenn noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, könnte HIFU dazu beitragen, das seit langem bestehende Problem der Rekristallisation während der Wiedererwärmung zu lösen und die Kryokonservierung von größeren Geweben und ganzen Organen für die regenerative Medizin zu ermöglichen. Aufgrund seiner Skalierbarkeit, Kontrollierbarkeit und seines routinemäßigen Einsatzes in anderen Anwendungen ist HIFU ein vielversprechendes neues Instrument, um das Gebiet der kryonik voranzubringen.
