Nach der kryoprotektiven Perfusion wird ein Patient nicht einfach in flüssigen Stickstoff gegeben.
Der Patient durchläuft ein computergesteuertes Temperaturprogramm, das mehrere Tage dauert. Sensoren im Inneren des Patienten zeigen, ob verschiedene anatomische Regionen gemeinsam abkühlen oder sich in gefährliche thermische Gradienten aufteilen.
Das ingenieurtechnische Problem verändert sich während des Abkühlvorgangs. Eine frühe Abkühlung sollte die Eiskristallbildung begrenzen. Nahe und unterhalb der Glasübergangstemperatur werden Präzision und thermische Gleichmäßigkeit wichtiger als die Geschwindigkeit.
Warum kontrollierte Abkühlung notwendig ist
Kryoprotektive Mittel verringern die benötigte Abkühlrate, um Eisbildung zu vermeiden. Sie ermöglichen es wasserreichen Geweben, einen hochviskosen, glasartigen Zustand statt einer ausgedehnten Kristallisation zu erreichen.
Die relevante Glasübergangstemperatur, bezeichnet als Tg, hängt von der Lösung, deren Konzentration und der Messmethode ab. Es handelt sich um einen Bereich, nicht um eine universelle biologische Schwelle.
Für Lösungen, die für die menschliche Kryokonservierung relevant sind, liegt dieser Bereich gemeinhin bei etwa -120°C bis -135°C.
Oberhalb dieses Bereichs kann eine zu langsame Abkühlung die Nukleation und das Wachstum von Eis ermöglichen. Unterhalb verhält sich das Material zunehmend wie ein spröder Festkörper.
Wenn die Oberfläche deutlich schneller abkühlt als das Zentrum, ziehen sich verschiedene Regionen in unterschiedlichem Maße zusammen. Die resultierenden thermomechanischen Spannungen können Risse verursachen.
Daraus ergibt sich ein eingeschränkter Pfad: Kühlen Sie ausreichend schnell vor der Vitrifizierung, um dann Gradienten und Abkühlrate zu kontrollieren, sobald der Patient glasartig wird.
Siehe den Unterschied zwischen Gefrieren und Vitrifizierung für das zugrundeliegende Phasenverhalten.
Die Kühlbox der ersten Generation
Das System der ersten Generation von Tomorrow.bio, genannt V1 cooling box, etablierte die grundlegende Architektur für die kontrollierte Ganzkörperabkühlung.
Der Patient wird in eine dedizierte isolierte Kammer platziert. Ein Computer steuert die kryogene Umgebung der Kammer, während Thermoelemente die Temperaturen an mehreren Stellen messen.
Der Regler folgt einer programmierten Kurve, statt kontinuierlich maximale Kühlung anzuwenden. Jeder Sensorkanal wird als Teil der thermischen Historie des Patienten aufgezeichnet.
Dies unterscheidet sich bereits grundlegend vom direkten Eintauchen. Die Maschine kann die Kammerbedingungen verlangsamen, halten oder anpassen, je nachdem, wie der Patient tatsächlich reagiert.
Das Dewar-basierte System der zweiten Generation
Das Design der zweiten Generation von Tomorrow.bio verlagert die kontrollierte Abkühlung in einen eigens dafür konstruierten Dewar.
Der Patient verbleibt innerhalb des Dewars, während ein spezialisierter Deckel die Abkühlungshardware, Computersteuerungen, Ventile, Sensoranschlüsse und Thermoelement-Durchführungen integriert.
Thermoelemente sind an mehreren Stellen innerhalb des Patienten positioniert. Zusätzliche Sensoren überwachen das thermische Umfeld im Dewar.
Das System erfasst daher mehr als den angeforderten Sollwert. Es erkennt, wie schnell verschiedene gemessene Bereiche des Patienten reagieren.
Der Computer passt den Temperaturgradienten und die Abkühlrate des Dewars an, um diese Messwerte innerhalb des zulässigen Rahmens des Protokolls zu halten.
Ein großer Körper kann während der Abkühlung nicht perfekt isotherm sein. Das praktische Ziel besteht darin, die Streuung zu minimieren und zu verhindern, dass sich gemessene Bereiche gefährlich schnell oder langsam abkühlen.
Die Dewargeometrie reduziert zudem die Handhabung zwischen kontrollierter Abkühlung und kryogener Lagerung. Dieselbe eingeschlossene Form kann eine stabile, symmetrische Umgebung um den Patienten bieten.
Der Sollwert der Temperatur ist nicht die Patiententemperatur.
Ein Regler kann die Umgebung schnell abkühlen. Er kann jedoch nicht das Zentrum eines menschlichen Körpers sofort auf diese Temperatur bringen.
Wärme muss von tieferem Gewebe zur Oberfläche wandern. Geometrie, Körperzusammensetzung, Kryoprotektantverteilung und Sensorposition beeinflussen die beobachtete Verzögerung.
Aus diesem Grund ist ein einzelner Kammersensor unzureichend. Eine nominelle -130°C-Umgebung beweist nicht, dass jeder gemessene Teil des Patienten -130°C erreicht hat.
Das Kontrollsystem muss sowohl die absolute Temperatur als auch die Differenz zwischen den Kanälen berücksichtigen. Der langsamste Punkt, der schnellste Punkt und die Gesamtstreuung liefern jeweils Informationen.
Auch die Kalibrierung, Platzierung und Kontinuität der Thermoelemente ist von Bedeutung. Unplausible Messwerte oder Sensorausfälle sollten gemeldet werden, anstatt sie stillschweigend in die Kurve einzubeziehen.
Das dreistufige Temperaturprogramm von Tomorrow.bio
Der aktuelle Protokoll umfasst drei klar voneinander getrennte Phasen. Die Werte sind Betriebssollwerte für diese Ausrüstung und den kryoprotektiven Ansatz, keine universellen Konstanten für jedes Vitrifizierungssystem.
1. Schnelle Absenkung in Richtung -130°C
In der ersten Phase wird der Patient von Trockeneistemperatur auf etwa -130°C gebracht, so schnell es die gemessene Temperaturstreuung sicher zulässt.
Die Geschwindigkeit ist hier entscheidend, da ungeschützte Bereiche noch Eis bilden können, bevor das Gewebe glasartig wird.
Der Computer folgt nicht allein der verstrichenen Zeit. Er überwacht die Thermoelemente und passt die Kühlumgebung um den Patienten herum an.
2. Ermöglichen eines kontrollierten Rückpralls in Richtung -120°C
Nach Erreichen von etwa -130°C wird die aktive Kühlung reduziert und der Patient darf sich natürlich auf etwa -120°C erwärmen.
Dies ist eine Glühphase. Nahe Tg behält das kryoprotegierte Material ausreichende molekulare Beweglichkeit, sodass sich einige akkumulierte mechanische Spannungen abbauen können.
Der Rückprall gibt wärmeren und kälteren Bereichen zudem Zeit, sich einander anzunähern, bevor das Material in seinen starren, glasartigen Zustand übergeht.
Das Glühen kehrt bestehende biologische Schäden nicht um. Sein Zweck ist enger gefasst: thermische Gradienten und die durch ungleichmäßige Kontraktion entstehenden Spannungen zu verringern.
3. Senken Sie auf -196°C mit etwa 1°C pro Stunde ab
Ab etwa -120°C beträgt die angestrebte Absenkrate etwa 1°C pro Stunde, bis der Patient die Temperatur von flüssigem Stickstoff erreicht.
Dieses letzte Intervall von 76 Grad dauert etwa drei Tage, selbst wenn Haltephasen und Steuerungsanpassungen noch nicht berücksichtigt sind.
Eine Absenkrate von 1°C pro Stunde in einem großen, thermisch heterogenen Körper ist ein Steuerungsproblem, kein bloßer Zeiteinstellungsvorgang.
Die Steuerung muss die Dewarumgebung kontinuierlich anpassen, sodass die internen Thermoelemente gemeinsam absinken, ohne übermäßige Gradienten zu erzeugen.
Wenn ein Bereich hinterherhinkt, kann das Kälterhalten der Umgebung einen anderen Bereich überkühlen. Präzision bedeutet, das gesamte Sensorfeld auszubalancieren, nicht einer einzelnen Messung hinterherzulaufen.
Warum die Glühphase wissenschaftlich plausibel ist
Forschung zur großflächigen Vitrifikation identifiziert zwei konkurrierende Versagenszonen: unzureichende Kühlung oberhalb von Tg und übermäßige mechanische Spannung um und unterhalb von Tg.
Eine 2024 Studie zur Vitrifikation von menschlichen Organen im Maßstab eines Organs nutzte mehrere interne Sonden und kam zu dem Schluss, dass das Glühen Gradienten reduziert, bevor das Material in die glasartige Phase übergeht.
Derselbe Studie zufolge hilft langsames Abkühlen unterhalb der Glühphase dabei, große Gradienten und Spannungen zu vermeiden.
Separate thermomechanische Forschung zeigte, dass das Glühen nahe Tg die verbleibende Spannung deutlich verändert und deren Abhängigkeit von der vorherigen Abkühlrate verringert.
Diese Studien stützen die zugrundeliegende Steuerungsstrategie. Sie validieren jedoch nicht unabhängig jeden einzelnen Sollwert im Ganzkörperprotokoll von Tomorrow.bio.
Ganze menschliche Körper sind größer und heterogener als Laborlösungen oder Organe. Direkte Temperaturaufzeichnungen und Bildgebung nach der Abkühlung bleiben notwendig.
Was der Computer aufzeichnet
Die nützlichen Daten sind keine Meldung wie „Abkühlung abgeschlossen“. Es handelt sich um die vollständige Zeitreihe aller Temperaturkanäle.
Die Aufzeichnung sollte Raten, Haltephasen, Rücksprünge, Gradienten zwischen Sensoren, Steuerungsaktionen, Alarme und jede Abweichung von der geplanten Kurve zeigen.
Diese Daten werden Teil der Qualitätsbewertung der Kryokonservierung.
Nach der Abkühlung kann eine standardisierte CT bei Flüssigstickstofftemperatur die Verteilung des Kryoprotektivums, Eisbildung, grobe Verformungen und Brüche erkennen, die allein durch Temperaturdaten nicht sichtbar werden.
Warum bei Flüssigstickstofftemperatur enden
Bei normalem atmosphärischem Druck siedet Stickstoff nahe 77.34 Kelvin, was etwa -195.8°C entspricht, laut dem NIST Chemistry WebBook.
Die Lagerung in Flüssigstickstoff ist passiv. Solange ausreichend Flüssigkeit im Behälter verbleibt, hält das Siedegleichgewicht eine stabile kryogene Umgebung ohne mechanische Kühlung aufrecht.
Der kontrollierte Abstieg endet erst, wenn der Patient thermisch bereit für diesen stabilen Zustand ist. Die Lagerung dient nicht als Ersatz für die Abkühlung.
Die Gestaltung und Abwägungen der nächsten Phase werden in modernen Kryobehältern und Zwischenlagertemperaturenbehandelt.
Kurzfassung: Tomorrow.bio verwendet computergesteuerte Kühlung und interne Temperatursensoren. Der Prozess kühlt nahe der Glasbildung schnell ab, entlastet thermische Spannungen und sinkt dann langsam auf -196°C ab.
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