Úterý 22. dubna 2014. - Představte si, že doktoři mohli otevřít mrazáky a vybrat ledviny, játra nebo srdce, která mají být použita v záchranných operacích. Následující vysvětluje, proč je tak obtížné dosáhnout.
V případě, že potřebujete novou ledvinu, náhradní srdce nebo jiný životně důležitý orgán, nemáte mnoho možností. Je to proto, že pokud jde o zdravé lidské orgány pro transplantace, které mohou zachránit životy, existuje obrovská propast mezi nabídkou a poptávkou.
Ve Spojených státech bylo v roce 2013 transplantováno 26 517 orgánů, ale na čekací listině je více než 120 000 pacientů. Jednoduše řečeno, není dostatek darů pro každého.
Ještě horší je, že dostupné orgány jsou někdy zbytečné, protože po odstranění dárce nemají příliš dlouhou životnost.
V současné době je nejlepší, co můžeme udělat, je ponechat je ve speciálním řešení těsně nad 0 stupňů Celsia po dobu jednoho nebo dvou dnů, což neumožňuje dostatek času k nalezení pacientů, kteří jsou plně kompatibilními příjemci, aby je mohli přijímat.
Existuje však možná odpověď. Pokud by vědci našli způsob, jak zmrazit orgány a přivést je zpět, aniž by jim došlo k poškození, mohli bychom je uchovat několik týdnů nebo měsíců.
Totéž by se dalo udělat s orgány navrženými v laboratoři, pokud je dokážeme vytvořit. S ohledem na to plánuje Organizace pro uchování orgánů, charitativní organizace připojená k laboratořím univerzity Singularity University ve výzkumném parku NASA v Kalifornii, plány na vytvoření milionářské ceny pro ty, kteří v tomto ohledu podporují pokrok.
Mohli bychom tedy nahlédnout do doby, kdy transplantační chirurgové otevřou mrazáky a vyberou ledviny, játra nebo srdce, aby provedli operace na záchranu života?
Vědci kryo konzervují nebo úspěšně zmrazují malé skupiny lidských buněk po dobu 40 let.
Zachovávají vajíčka a embrya zaplavující buňky roztokem tzv. Kryoprotektivních sloučenin, které zabraňují tvorbě ledových krystalů, které mohou buňky zničit, a také je chránit před smrtícím kontrakcí.
Bohužel se setkávají s velkými překážkami, když se snaží implementovat tento proces ve větším měřítku, protože architektura v nejsložitějších orgánech a tkáních je mnohem zranitelnější vůči poškození způsobenému ledovými krystaly.
Malá skupina vědců se však nevzdala a připravuje se na výzvu, částečně po stopách přírody.
Například ledové ryby v Antarktidě přežívají ve velmi chladných vodách při teplotě -2 ° C díky nemrznoucím bílkovinám (AFP), které snižují bod mrznutí jejich tělních tekutin a vážou se na Krystaly ledu pro zastavení jeho šíření.
Vědci použili roztoky obsahující antarktické ledové ryby AFP k ochraně srdcí potkanů po dobu až 24 hodin při několika stupních pod nulou.
Při nízkých teplotách se však u AFP tohoto zvířete vyskytují kontraproduktivní účinky: nutí tvorbu ledových krystalů, aby vytvořily ostré body, které propíchávají buněčné membrány.
Užitečnější by mohla být další nemrznoucí směs, která byla nedávno objevena u alaskanského brouka a která toleruje -60 ° C.
Samotné nemrznoucí přísady však tuto práci nebudou dělat. Důvodem je, že zmrazení také ničí buňky tím, že ovlivňuje tok tekutin dovnitř a ven z nich.
V prostorech mezi buňkami se tvoří led, což snižuje objem kapaliny a zvyšuje koncentraci rozpuštěných solí a dalších iontů. Voda proudí z buněk směrem ven, aby kompenzovala, což způsobí jejich vadnutí a smrt.
V ovulích a embryích jsou kryoprotektivní sloučeniny, jako je glycerol, velmi užitečné: nejen vytlačují vodu, aby zabránily tvorbě ledu v buňkách, ale také pomáhají předcházet buněčné kontrakci a smrti.
Problém je v tom, že tyto sloučeniny nemohou v orgánech fungovat se stejnou magií. Na jedné straně jsou tkáňové buňky mnohem citlivější na průnik ledu.
A dokonce i když jsou buňky chráněny, ledové krystaly, které se tvoří v mezerách mezi nimi, ničí extracelulární struktury, které drží orgán pohromadě a usnadňují jeho funkci.
Jedním ze způsobů, jak překonat nebezpečí námrazy, je zabránit tomu, aby se to stalo. To je důvod, proč se někteří vědci zavázali k technikě zvané vitrifikace, při níž se tkáně tak chladí, že se stanou sklenicí bez ledu.
Metoda je již používána některými klinikami plodnosti a přinesla některé z nejvíce povzbudivých výsledků doposud týkajících se zachování komplexních tkání.
V roce 2000 například Mike Taylor a jeho kolegové z Cell and Tissue Systems v Charlestonu v Jižní Karolíně vitrifikovali 5cm dlouhé segmenty králičí žíly, která je umístěna mezi buňkami a orgány z hlediska a ukázali, že si po zahřátí zachovají většinu své funkce.
O dva roky později Greg Fahy a jeho kolegové z 21. století Medicine, výzkumná společnost pro kryokonzervaci v Kalifornii, udělali průlom: králičí ledvinu ledvin udržovali pod teplotou skelného přechodu - 122 stupňů Celsia po dobu 10 minut, před rozmrazením a přesazením na králíka, který žil 48 dní před tím, než byl poražen, aby jej prozkoumal.
"Bylo to poprvé, kdy byl životně důležitý orgán s následnou podporou života kryokonzervován a transplantován, " říká Fahy. "Byl to důkaz, že se jedná o realistický návrh."
Ledvina však nefungovala stejně dobře jako zdravá verze, hlavně proto, že určitá část, medulla, trvala déle, než vstřebala kryoprotektivní roztok, což znamenalo, že se na něm během rozmrazování vytvořil nějaký led.
„Ačkoli jsme byli ve skvělých náladách, věděli jsme také, že se musíme zlepšit, “ dodává Fahy.
„To je nejbližší, co jsme přišli, “ říká Taylor a přidal varovnou poznámku. "To bylo před více než 10 lety, a pokud byla tato technika dostatečně robustní, pak by měly existovat zprávy a následné studie, které dokládají toto zjištění, něco, co neexistuje."
Pokrok byl zčásti pomalý, říká Fahy, protože zastavil výrobu chemikálie, která byla klíčovou součástí jeho metody. Jeho skupina však znovu získala půdu a pokročila kupředu: na výročním zasedání Cryobiologické společnosti v roce 2013 představil Fahy metodu, která umožňuje, aby se šňůra rychleji naložila kryoprotektanty.
Navzdory Fahyinmu optimismu je jasné, že pokud jde o zachování velkých orgánů, představuje vitrifikace některé obrovské výzvy. Nejprve je zapotřebí vysokých koncentrací kryoprotektantů (nejméně pětkrát vyšších než při běžném pomalém chlazení), které mohou otrávit buňky a tkáně, které mají chránit.
Tento problém se zhoršuje s většími tkáněmi, protože je zapotřebí více času k načtení sloučenin, což znamená pomalejší doby chlazení a více příležitostí k výskytu toxické expozice. Kromě toho, pokud je chlazení příliš rychlé nebo dosáhne příliš nízkých teplot, mohou se objevit praskliny.
Tento extrémně jemný proces zahřívání představuje další překážky. Pokud se vitrifikovaný vzorek nezahřívá rychle nebo rovnoměrně, sklovitost ustoupí krystalizaci, což je proces známý jako devitrifikace a opět může dojít k praskání.
(Toto) je výzva, kterou jsme dosud nepřekonali, “říká John Bischof, kryobiolog a inženýr na University of Minnesota.„ Omezujícím faktorem je rychlost a jednotnost, s níž ji můžeme rozmrazit. “A to proto, že Oteplování se obvykle provádí z vnějšku dovnitř.
V loňském roce Bischof a postgraduální student Michael Etheridge navrhli způsob řešení problému: přidali k kryoprotektantu magnetické nanočástice.
Představa je taková, že částice se rozptýlí přes tkáň a jakmile jsou vzrušeny magnetickými poli, zahřívají vše rychle a rovnoměrně. Duo v současné době spolupracuje s Taylorem a jeho kolegy na testování metody v tepnách králíků.
Pokroky v této oblasti z velké části přišly pokusem a omylem: testování kombinací řešení a metod zmrazování a rozmrazování.
Vědci však také začali využívat nové technologie k bližšímu zkoumání chování ledu v buňkách a tkáních.
Pokud jsou procesy podrobně pochopeny, lze očekávat, že k jejich řízení budou navrženy inovativní a účinnější metody.
V posledních 12 měsících došlo v této oblasti k výraznému pokroku. Taylor, který pracuje s Yoedem Rabinem, mechanickým inženýrem na Carnegie Mellon University v Pittsburghu, představil nové zařízení, které umožňuje vizualizaci plnobarevných termických obrázků s vysokým rozlišením na velkoobjemových tkaninách.
Mezitím Jens Karlsson z Villanovy univerzity v Pensylvánii nedávno zachytil mikroskopické video sekvence s velmi pomalým pohybem od okamžiku, kdy led vstoupí do malých kapes mezi dvěma pevně vázanými buňkami a poté v nich způsobí krystalizaci.
Perspektivy těchto metod by mohly přinést nové nápady, jak manipulovat s procesem zmrazování, říká Karlsson, který se snaží přijít na to, jak kryokonzervovat tkáně pečlivou kontrolou procesu zmrazování a rozmrazování, nikoli prostřednictvím vitrifikace.
Jednou z možností je geneticky navrhnout buňky, které lze přesvědčit, aby vytvořily spojení buněk a buněk, které jsou schopné odolat kryokonzervaci. Dalším úkolem by bylo najít způsob, jak řídit tvorbu extracelulárního ledu tak, aby neovlivňoval funkci orgánu.
Společnost Karlsson je také ochotna používat počítačové simulace procesu zmrazování k účinnému testování milionů možných protokolů.
„Potřebujeme tyto typy nástrojů, abychom urychlili pokrok, “ říká Karlsson, který srovnává úkol s „pokusem se dostat na Měsíc s zlomkem finančních prostředků věnovaných tomuto úsilí.“
I při omezených zdrojích tato oblast ukázala, že kryopreservace bez ledu je praktická pro malé tkáně, jako je segment krevních cév. „Bariérou, která zůstává a to je důležité, “ říká Taylor, „je přizpůsobit ji lidskému orgánu.“
Pro Karlssona, který má podezření, že takové úsilí „může narazit do zdi“ dříve, než vitrifikace někdy slouží lidským orgánům, představují metody zamrzání (nebo to, čemu říká metody založené na ledu) stejnou nebo dokonce cestu Spolehlivější k úspěchu.
Existuje však jedna poslední představa, kterou je třeba brát vážně. „Žádná kryokonzervační technika nenabízí 100% přežití komponentních buněk, “ říká Taylor.
"V mnoha aplikacích to může být tolerováno, ale pro jeden orgán by to mohlo znamenat značný stupeň poškození při opravě po skladování nebo transplantaci."
V konečném důsledku to znamená, že bez ohledu na to, jak dobře jsou vzorky uchovány v kryokonzervaci, pravděpodobně budou mít nižší kvalitu ve srovnání s nově získanými orgány.
Zdroj:
Tagy:
Zprávy Glosář Výživa
V případě, že potřebujete novou ledvinu, náhradní srdce nebo jiný životně důležitý orgán, nemáte mnoho možností. Je to proto, že pokud jde o zdravé lidské orgány pro transplantace, které mohou zachránit životy, existuje obrovská propast mezi nabídkou a poptávkou.
Ve Spojených státech bylo v roce 2013 transplantováno 26 517 orgánů, ale na čekací listině je více než 120 000 pacientů. Jednoduše řečeno, není dostatek darů pro každého.
Ještě horší je, že dostupné orgány jsou někdy zbytečné, protože po odstranění dárce nemají příliš dlouhou životnost.
V současné době je nejlepší, co můžeme udělat, je ponechat je ve speciálním řešení těsně nad 0 stupňů Celsia po dobu jednoho nebo dvou dnů, což neumožňuje dostatek času k nalezení pacientů, kteří jsou plně kompatibilními příjemci, aby je mohli přijímat.
Existuje však možná odpověď. Pokud by vědci našli způsob, jak zmrazit orgány a přivést je zpět, aniž by jim došlo k poškození, mohli bychom je uchovat několik týdnů nebo měsíců.
Totéž by se dalo udělat s orgány navrženými v laboratoři, pokud je dokážeme vytvořit. S ohledem na to plánuje Organizace pro uchování orgánů, charitativní organizace připojená k laboratořím univerzity Singularity University ve výzkumném parku NASA v Kalifornii, plány na vytvoření milionářské ceny pro ty, kteří v tomto ohledu podporují pokrok.
Je možné kryokonzervovat?
Mohli bychom tedy nahlédnout do doby, kdy transplantační chirurgové otevřou mrazáky a vyberou ledviny, játra nebo srdce, aby provedli operace na záchranu života?
Vědci kryo konzervují nebo úspěšně zmrazují malé skupiny lidských buněk po dobu 40 let.
Zachovávají vajíčka a embrya zaplavující buňky roztokem tzv. Kryoprotektivních sloučenin, které zabraňují tvorbě ledových krystalů, které mohou buňky zničit, a také je chránit před smrtícím kontrakcí.
Bohužel se setkávají s velkými překážkami, když se snaží implementovat tento proces ve větším měřítku, protože architektura v nejsložitějších orgánech a tkáních je mnohem zranitelnější vůči poškození způsobenému ledovými krystaly.
Malá skupina vědců se však nevzdala a připravuje se na výzvu, částečně po stopách přírody.
Například ledové ryby v Antarktidě přežívají ve velmi chladných vodách při teplotě -2 ° C díky nemrznoucím bílkovinám (AFP), které snižují bod mrznutí jejich tělních tekutin a vážou se na Krystaly ledu pro zastavení jeho šíření.
Vědci použili roztoky obsahující antarktické ledové ryby AFP k ochraně srdcí potkanů po dobu až 24 hodin při několika stupních pod nulou.
Při nízkých teplotách se však u AFP tohoto zvířete vyskytují kontraproduktivní účinky: nutí tvorbu ledových krystalů, aby vytvořily ostré body, které propíchávají buněčné membrány.
Užitečnější by mohla být další nemrznoucí směs, která byla nedávno objevena u alaskanského brouka a která toleruje -60 ° C.
Samotné nemrznoucí přísady však tuto práci nebudou dělat. Důvodem je, že zmrazení také ničí buňky tím, že ovlivňuje tok tekutin dovnitř a ven z nich.
V prostorech mezi buňkami se tvoří led, což snižuje objem kapaliny a zvyšuje koncentraci rozpuštěných solí a dalších iontů. Voda proudí z buněk směrem ven, aby kompenzovala, což způsobí jejich vadnutí a smrt.
V ovulích a embryích jsou kryoprotektivní sloučeniny, jako je glycerol, velmi užitečné: nejen vytlačují vodu, aby zabránily tvorbě ledu v buňkách, ale také pomáhají předcházet buněčné kontrakci a smrti.
Problém je v tom, že tyto sloučeniny nemohou v orgánech fungovat se stejnou magií. Na jedné straně jsou tkáňové buňky mnohem citlivější na průnik ledu.
A dokonce i když jsou buňky chráněny, ledové krystaly, které se tvoří v mezerách mezi nimi, ničí extracelulární struktury, které drží orgán pohromadě a usnadňují jeho funkci.
Vitrifikace
Jedním ze způsobů, jak překonat nebezpečí námrazy, je zabránit tomu, aby se to stalo. To je důvod, proč se někteří vědci zavázali k technikě zvané vitrifikace, při níž se tkáně tak chladí, že se stanou sklenicí bez ledu.
Metoda je již používána některými klinikami plodnosti a přinesla některé z nejvíce povzbudivých výsledků doposud týkajících se zachování komplexních tkání.
V roce 2000 například Mike Taylor a jeho kolegové z Cell and Tissue Systems v Charlestonu v Jižní Karolíně vitrifikovali 5cm dlouhé segmenty králičí žíly, která je umístěna mezi buňkami a orgány z hlediska a ukázali, že si po zahřátí zachovají většinu své funkce.
O dva roky později Greg Fahy a jeho kolegové z 21. století Medicine, výzkumná společnost pro kryokonzervaci v Kalifornii, udělali průlom: králičí ledvinu ledvin udržovali pod teplotou skelného přechodu - 122 stupňů Celsia po dobu 10 minut, před rozmrazením a přesazením na králíka, který žil 48 dní před tím, než byl poražen, aby jej prozkoumal.
"Bylo to poprvé, kdy byl životně důležitý orgán s následnou podporou života kryokonzervován a transplantován, " říká Fahy. "Byl to důkaz, že se jedná o realistický návrh."
Ledvina však nefungovala stejně dobře jako zdravá verze, hlavně proto, že určitá část, medulla, trvala déle, než vstřebala kryoprotektivní roztok, což znamenalo, že se na něm během rozmrazování vytvořil nějaký led.
„Ačkoli jsme byli ve skvělých náladách, věděli jsme také, že se musíme zlepšit, “ dodává Fahy.
„To je nejbližší, co jsme přišli, “ říká Taylor a přidal varovnou poznámku. "To bylo před více než 10 lety, a pokud byla tato technika dostatečně robustní, pak by měly existovat zprávy a následné studie, které dokládají toto zjištění, něco, co neexistuje."
Pokrok byl zčásti pomalý, říká Fahy, protože zastavil výrobu chemikálie, která byla klíčovou součástí jeho metody. Jeho skupina však znovu získala půdu a pokročila kupředu: na výročním zasedání Cryobiologické společnosti v roce 2013 představil Fahy metodu, která umožňuje, aby se šňůra rychleji naložila kryoprotektanty.
Navzdory Fahyinmu optimismu je jasné, že pokud jde o zachování velkých orgánů, představuje vitrifikace některé obrovské výzvy. Nejprve je zapotřebí vysokých koncentrací kryoprotektantů (nejméně pětkrát vyšších než při běžném pomalém chlazení), které mohou otrávit buňky a tkáně, které mají chránit.
Tento problém se zhoršuje s většími tkáněmi, protože je zapotřebí více času k načtení sloučenin, což znamená pomalejší doby chlazení a více příležitostí k výskytu toxické expozice. Kromě toho, pokud je chlazení příliš rychlé nebo dosáhne příliš nízkých teplot, mohou se objevit praskliny.
Tento extrémně jemný proces zahřívání představuje další překážky. Pokud se vitrifikovaný vzorek nezahřívá rychle nebo rovnoměrně, sklovitost ustoupí krystalizaci, což je proces známý jako devitrifikace a opět může dojít k praskání.
(Toto) je výzva, kterou jsme dosud nepřekonali, “říká John Bischof, kryobiolog a inženýr na University of Minnesota.„ Omezujícím faktorem je rychlost a jednotnost, s níž ji můžeme rozmrazit. “A to proto, že Oteplování se obvykle provádí z vnějšku dovnitř.
V loňském roce Bischof a postgraduální student Michael Etheridge navrhli způsob řešení problému: přidali k kryoprotektantu magnetické nanočástice.
Představa je taková, že částice se rozptýlí přes tkáň a jakmile jsou vzrušeny magnetickými poli, zahřívají vše rychle a rovnoměrně. Duo v současné době spolupracuje s Taylorem a jeho kolegy na testování metody v tepnách králíků.
Led v akci
Pokroky v této oblasti z velké části přišly pokusem a omylem: testování kombinací řešení a metod zmrazování a rozmrazování.
Vědci však také začali využívat nové technologie k bližšímu zkoumání chování ledu v buňkách a tkáních.
Pokud jsou procesy podrobně pochopeny, lze očekávat, že k jejich řízení budou navrženy inovativní a účinnější metody.
V posledních 12 měsících došlo v této oblasti k výraznému pokroku. Taylor, který pracuje s Yoedem Rabinem, mechanickým inženýrem na Carnegie Mellon University v Pittsburghu, představil nové zařízení, které umožňuje vizualizaci plnobarevných termických obrázků s vysokým rozlišením na velkoobjemových tkaninách.
Mezitím Jens Karlsson z Villanovy univerzity v Pensylvánii nedávno zachytil mikroskopické video sekvence s velmi pomalým pohybem od okamžiku, kdy led vstoupí do malých kapes mezi dvěma pevně vázanými buňkami a poté v nich způsobí krystalizaci.
Perspektivy těchto metod by mohly přinést nové nápady, jak manipulovat s procesem zmrazování, říká Karlsson, který se snaží přijít na to, jak kryokonzervovat tkáně pečlivou kontrolou procesu zmrazování a rozmrazování, nikoli prostřednictvím vitrifikace.
Jednou z možností je geneticky navrhnout buňky, které lze přesvědčit, aby vytvořily spojení buněk a buněk, které jsou schopné odolat kryokonzervaci. Dalším úkolem by bylo najít způsob, jak řídit tvorbu extracelulárního ledu tak, aby neovlivňoval funkci orgánu.
Společnost Karlsson je také ochotna používat počítačové simulace procesu zmrazování k účinnému testování milionů možných protokolů.
„Potřebujeme tyto typy nástrojů, abychom urychlili pokrok, “ říká Karlsson, který srovnává úkol s „pokusem se dostat na Měsíc s zlomkem finančních prostředků věnovaných tomuto úsilí.“
I při omezených zdrojích tato oblast ukázala, že kryopreservace bez ledu je praktická pro malé tkáně, jako je segment krevních cév. „Bariérou, která zůstává a to je důležité, “ říká Taylor, „je přizpůsobit ji lidskému orgánu.“
Pro Karlssona, který má podezření, že takové úsilí „může narazit do zdi“ dříve, než vitrifikace někdy slouží lidským orgánům, představují metody zamrzání (nebo to, čemu říká metody založené na ledu) stejnou nebo dokonce cestu Spolehlivější k úspěchu.
Existuje však jedna poslední představa, kterou je třeba brát vážně. „Žádná kryokonzervační technika nenabízí 100% přežití komponentních buněk, “ říká Taylor.
"V mnoha aplikacích to může být tolerováno, ale pro jeden orgán by to mohlo znamenat značný stupeň poškození při opravě po skladování nebo transplantaci."
V konečném důsledku to znamená, že bez ohledu na to, jak dobře jsou vzorky uchovány v kryokonzervaci, pravděpodobně budou mít nižší kvalitu ve srovnání s nově získanými orgány.
Zdroj:
