Tirsdag 22. april 2014.- Se for deg at leger kunne åpne frysere og velge nyrer, lever eller hjerter til bruk i livreddende operasjoner. Følgende forklarer hvorfor dette er så vanskelig å oppnå.
I tilfelle du trenger en ny nyre, et erstatningshjerte eller et annet viktig organ, har du ikke mange alternativer. Dette er fordi når det gjelder sunne menneskelige organer for transplantasjoner som kan redde liv, er det et enormt kløft mellom tilbud og etterspørsel.
I USA ble 26 517 organer transplantert i 2013, men mer enn 120 000 pasienter er på venteliste. Enkelt sagt er det ikke nok gaver til alle.
Enda verre er det at noen ganger er organene som er tilgjengelige, bortkastet fordi de ikke har mye holdbarhet når den er fjernet fra giveren.
For øyeblikket er det beste vi kan gjøre å holde dem i en spesiell løsning rett over 0 grader celsius i en eller to dager, noe som ikke gir mye tid til å finne pasienter som er fullt kompatible mottakere for å motta dem.
Men det er et mulig svar. Hvis forskere kunne finne en måte å fryse organer og bringe dem tilbake uten å påføre seg skade, kan vi muligens holde dem i flere uker eller måneder.
Det samme kan gjøres med organene som er designet på laboratoriet, hvis vi klarer å lage dem. Med dette i bakhodet planlegger klikken Organ Preservation Alliance, en veldedighet knyttet til laboratoriene ved Singularity University i NASA Research Park i California, å opprette en millionærpris for de som oppmuntrer til fremgang i denne forbindelse.
Kan vi skimte en tid da transplantasjonskirurger åpner frysere og velger nyrer, lever eller hjerter for å utføre livreddende operasjoner?
Forskere har kryopervarer eller fryset små grupper av menneskelige celler i 40 år.
De sparer eggløsning og embryoer som oversvømmer cellene med løsninger av de såkalte kryopbeskyttende forbindelser, som forhindrer dannelse av iskrystaller som kan ødelegge cellene og også beskytte dem mot dødelig sammentrekning.
Dessverre møter de store hindringer når de prøver å implementere denne prosessen i større skala, siden arkitekturen i de mest komplekse organer og vev er mye mer sårbar for skader relatert til iskrystaller.
En liten gruppe forskere har imidlertid ikke gitt opp og forbereder seg på utfordringen, delvis etter naturens ledetråder.
For eksempel overlever isfisk i Antarktis i veldig kalde farvann ved -2 grader Celsius takket være frostvæskeproteiner (AFP), som reduserer frysepunktet i kroppsvæskene og binder seg til Iskrystaller for å stoppe spredningen.
Forskere har brukt løsninger som inneholder antarktiske isfisk-AFP-er for å spare rottehjerter i en periode på opptil 24 timer, noen få grader under null.
Imidlertid forekommer motproduktive effekter ved AFP-er av dette dyret ved lavere temperatur: de tvinger dannelsen av iskrystaller til å produsere skarpe punkter som stikker hull i cellemembranene.
En annen frostvæskeforbindelse som nylig ble oppdaget i en Alaskan-bille som tåler -60 ° C, kan være mer nyttig.
Men frostvæskeingrediensene alene kommer ikke til å gjøre jobben. Dette er fordi frysing også ødelegger celler ved å påvirke strømmen av væsker inn og ut av dem.
Det dannes is i mellomrommene mellom cellene, noe som reduserer væskevolumet og øker konsentrasjonen av oppløste salter og andre ioner. Vann siver fra cellene utover for å kompensere, og får dem til å visne og dø.
I eggløsning og embryo er krybeskyttende forbindelser som glyserol veldig nyttige: de fortrenger ikke bare vann for å forhindre dannelse av is i celler, men hjelper også til å forhindre cellekontraksjon og død.
Problemet er at disse forbindelsene ikke kan fungere med samme magi i organene. På den ene siden er vevsceller mye mer utsatt for isinntrenging.
Og selv når cellene er beskyttet, ødelegger iskrystallene som dannes i mellomrommene mellom dem de ekstracellulære strukturer som holder orgelet sammen og letter dets funksjon.
En måte å overvinne farene ved ising er å forhindre at det skjer. Det er grunnen til at noen forskere er opptatt av en teknikk som kalles forglasning, der vevene blir så kalde at de blir et isfritt glass.
Metoden er allerede brukt av noen fruktbarhetsklinikker og har gitt noen av de mest oppmuntrende resultatene hittil når det gjelder konservering av komplekse vev.
I 2000 for eksempel forsterket Mike Taylor og kollegene ved Cell and Tissue Systems i Charleston, South Carolina, 5 cm lange segmenter av en kaninvene, som ligger mellom celler og organer mht. kompleksitet og viste at de beholder mesteparten av sin funksjon etter oppvarming.
To år senere gjorde Greg Fahy og hans kolleger ved 21st-Century Medicine, et California-basert forskningsfirma for kryokonservering, et gjennombrudd: De forglaste en kanins nyre og holdt den under glassovergangstemperaturen på - 122 grader celsius i 10 minutter, før den ble avrimet og transplantert til en kanin som levde i 48 dager før den ble slaktet for å undersøke den.
"Det var første gang at et livsviktig organ med påfølgende livsstøtte hadde blitt kryokonservert og transplantert, " sier Fahy. "Det var et bevis på at det var et realistisk forslag."
Men nyren fungerte ikke så bra som en sunn versjon, hovedsakelig fordi en bestemt del, medulla, tok lengre tid å absorbere kryoprotektantløsningen, noe som medførte at det ble dannet noe is på den under avriming.
"Selv om vi var i stor humør, visste vi også at vi måtte forbedre oss, " legger Fahy til.
"Det er det nærmeste vi har kommet, " sier Taylor og legger til en advarsel. "Det var mer enn ti år siden, og hvis teknikken var robust nok, burde det ha vært rapporter og oppfølgingsstudier som vitner om funnet, noe som ikke har eksistert."
Fremdriften har delvis vært treg, sier Fahy, fordi den sluttet å produsere et kjemikalie som var en sentral del av metoden hans. Imidlertid har gruppen hans gjenvunnet terreng og kommet frem: På årsmøtet i Cryobiology Society i 2013 presenterte Fahy en metode som gjør at ledningen kan lastes raskere med kryobeskyttelsesmidler.
Til tross for Fahys optimisme, er det tydelig at når det gjelder å bevare store organer, representerer vitrifisering noen formidable utfordringer. Til å begynne med trengs høye konsentrasjoner av krybeskyttelsesmidler (minst fem ganger større enn ved konvensjonell langsom avkjøling) som kan forgifte celler og vev de skal beskytte.
Problemet forverres med større vev fordi det kreves mer tid for å laste forbindelsene, noe som betyr langsommere avkjølingstid og flere muligheter for giftig eksponering. I tillegg, hvis kjøling er for rask eller når for lave temperaturer, kan det oppstå sprekker.
Denne ekstremt delikate oppvarmingsprosessen gir flere hindringer. Hvis den forglassede prøven ikke varmes raskt eller ganske jevnt, gir glassigheten plass til krystallisering, en prosess kjent som devitrifisering og igjen, kan sprekker oppstå.
(Dette) er en utfordring vi ikke har overvunnet ennå, "sier John Bischof, kryobiolog og ingeniør ved University of Minnesota." Den begrensende faktoren er hastigheten og ensartetheten vi kan tine den. "Og det er fordi Oppvarming skjer vanligvis fra utsiden til innsiden.
I fjor foreslo Bischof og doktorgradsstudent Michael Etheridge en måte å løse problemet på: legg magnetiske nanopartikler til kryopbeskyttelsesløsningen.
Tanken er at partiklene sprer seg gjennom vevet, og når de først er begeistret av magnetfeltene, varme alt raskt og jevnt. Duoen jobber for tiden med Taylor og kollegene for å teste metoden i arteriene til kaniner.
For det meste har fremskritt på området kommet av prøving og feiling: testing av kombinasjoner av løsninger og metoder for frysing og tining.
Men forskere har også begynt å dra nytte av nye teknologier for å undersøke nærmere hvordan is oppfører seg i celler og vev.
Hvis prosessene blir forstått i detalj, kan det forventes at innovative og mer effektive metoder kan utformes for å kontrollere dem.
I løpet av de siste 12 månedene har det vært betydelige fremskritt på dette området. Taylor, som jobber med Yoed Rabin, maskiningeniør ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, introduserte en ny enhet som gjør det mulig å visualisere termiske bilder i full farge i høye oppløsninger på store volumstoffer.
I mellomtiden har Jens Karlsson fra Villanova University i Pennsylvania nylig fanget ultra-slow-motion mikroskopiske videosekvenser fra det øyeblikket isen kommer inn i små lommer mellom to tett bundne celler og deretter forårsaker krystallisering i dem.
Perspektivene på disse metodene kan gi nye ideer til hvordan man kan manipulere fryseprosessen, sier Karlsson, som prøver å finne ut hvordan man kan kryopreservere vev gjennom nøye kontroll av fryseprosessen og tining, i stedet for gjennom av vitrifisering.
En mulighet er å genetisk utforme celler som kan overtales til å danne celle-celleforbindelser som er i stand til å motstå kryokonservering. Den neste oppgaven ville være å finne en måte å rette dannelsen av ekstracellulær is på, slik at den ikke påvirker funksjonen til et organ.
Karlsson er også villig til å bruke datasimuleringer av fryseprosessen for effektivt å teste millioner av mulige protokoller.
"Vi trenger denne typen verktøy for å fremskynde fremgangen, " sier Karlsson, som sammenligner oppgaven med "å prøve å nå månen med en brøkdel av midlene som er dedikert til den innsatsen."
Selv med begrensede ressurser har området vist at isfri kryokonservering er praktisk for små vev, for eksempel et blodkar-segment. "Barrieren som gjenstår, og det er viktig, " sier Taylor, "er å skalere den til et menneskelig organ."
For Karlsson, som mistenker at slik innsats "kan støte inn i en vegg" før vitrifisering noen gang betjener menneskelige organer, representerer frysemetoder (eller det han kaller isbaserte metoder) en lik eller til og med en vei Mer pålitelig mot suksess.
Men det er en siste forestilling som må tas på alvor. "Ingen kryokonserveringsteknikk tilbyr 100% overlevelse av komponentceller, " sier Taylor.
"I mange bruksområder kan dette tolereres, men for et enkelt organ kan dette bety en betydelig reparasjonsskade etter lagring eller transplantasjon."
Til syvende og sist betyr det at uansett hvor godt kryokonserverte prøvene er, vil de sannsynligvis ha dårligere kvalitet sammenlignet med nyervervede organer.
Kilde:
Tags:
Nyheter Helse Kjønn
I tilfelle du trenger en ny nyre, et erstatningshjerte eller et annet viktig organ, har du ikke mange alternativer. Dette er fordi når det gjelder sunne menneskelige organer for transplantasjoner som kan redde liv, er det et enormt kløft mellom tilbud og etterspørsel.
I USA ble 26 517 organer transplantert i 2013, men mer enn 120 000 pasienter er på venteliste. Enkelt sagt er det ikke nok gaver til alle.
Enda verre er det at noen ganger er organene som er tilgjengelige, bortkastet fordi de ikke har mye holdbarhet når den er fjernet fra giveren.
For øyeblikket er det beste vi kan gjøre å holde dem i en spesiell løsning rett over 0 grader celsius i en eller to dager, noe som ikke gir mye tid til å finne pasienter som er fullt kompatible mottakere for å motta dem.
Men det er et mulig svar. Hvis forskere kunne finne en måte å fryse organer og bringe dem tilbake uten å påføre seg skade, kan vi muligens holde dem i flere uker eller måneder.
Det samme kan gjøres med organene som er designet på laboratoriet, hvis vi klarer å lage dem. Med dette i bakhodet planlegger klikken Organ Preservation Alliance, en veldedighet knyttet til laboratoriene ved Singularity University i NASA Research Park i California, å opprette en millionærpris for de som oppmuntrer til fremgang i denne forbindelse.
Er det mulig å kryopreservere?
Kan vi skimte en tid da transplantasjonskirurger åpner frysere og velger nyrer, lever eller hjerter for å utføre livreddende operasjoner?
Forskere har kryopervarer eller fryset små grupper av menneskelige celler i 40 år.
De sparer eggløsning og embryoer som oversvømmer cellene med løsninger av de såkalte kryopbeskyttende forbindelser, som forhindrer dannelse av iskrystaller som kan ødelegge cellene og også beskytte dem mot dødelig sammentrekning.
Dessverre møter de store hindringer når de prøver å implementere denne prosessen i større skala, siden arkitekturen i de mest komplekse organer og vev er mye mer sårbar for skader relatert til iskrystaller.
En liten gruppe forskere har imidlertid ikke gitt opp og forbereder seg på utfordringen, delvis etter naturens ledetråder.
For eksempel overlever isfisk i Antarktis i veldig kalde farvann ved -2 grader Celsius takket være frostvæskeproteiner (AFP), som reduserer frysepunktet i kroppsvæskene og binder seg til Iskrystaller for å stoppe spredningen.
Forskere har brukt løsninger som inneholder antarktiske isfisk-AFP-er for å spare rottehjerter i en periode på opptil 24 timer, noen få grader under null.
Imidlertid forekommer motproduktive effekter ved AFP-er av dette dyret ved lavere temperatur: de tvinger dannelsen av iskrystaller til å produsere skarpe punkter som stikker hull i cellemembranene.
En annen frostvæskeforbindelse som nylig ble oppdaget i en Alaskan-bille som tåler -60 ° C, kan være mer nyttig.
Men frostvæskeingrediensene alene kommer ikke til å gjøre jobben. Dette er fordi frysing også ødelegger celler ved å påvirke strømmen av væsker inn og ut av dem.
Det dannes is i mellomrommene mellom cellene, noe som reduserer væskevolumet og øker konsentrasjonen av oppløste salter og andre ioner. Vann siver fra cellene utover for å kompensere, og får dem til å visne og dø.
I eggløsning og embryo er krybeskyttende forbindelser som glyserol veldig nyttige: de fortrenger ikke bare vann for å forhindre dannelse av is i celler, men hjelper også til å forhindre cellekontraksjon og død.
Problemet er at disse forbindelsene ikke kan fungere med samme magi i organene. På den ene siden er vevsceller mye mer utsatt for isinntrenging.
Og selv når cellene er beskyttet, ødelegger iskrystallene som dannes i mellomrommene mellom dem de ekstracellulære strukturer som holder orgelet sammen og letter dets funksjon.
forglassing
En måte å overvinne farene ved ising er å forhindre at det skjer. Det er grunnen til at noen forskere er opptatt av en teknikk som kalles forglasning, der vevene blir så kalde at de blir et isfritt glass.
Metoden er allerede brukt av noen fruktbarhetsklinikker og har gitt noen av de mest oppmuntrende resultatene hittil når det gjelder konservering av komplekse vev.
I 2000 for eksempel forsterket Mike Taylor og kollegene ved Cell and Tissue Systems i Charleston, South Carolina, 5 cm lange segmenter av en kaninvene, som ligger mellom celler og organer mht. kompleksitet og viste at de beholder mesteparten av sin funksjon etter oppvarming.
To år senere gjorde Greg Fahy og hans kolleger ved 21st-Century Medicine, et California-basert forskningsfirma for kryokonservering, et gjennombrudd: De forglaste en kanins nyre og holdt den under glassovergangstemperaturen på - 122 grader celsius i 10 minutter, før den ble avrimet og transplantert til en kanin som levde i 48 dager før den ble slaktet for å undersøke den.
"Det var første gang at et livsviktig organ med påfølgende livsstøtte hadde blitt kryokonservert og transplantert, " sier Fahy. "Det var et bevis på at det var et realistisk forslag."
Men nyren fungerte ikke så bra som en sunn versjon, hovedsakelig fordi en bestemt del, medulla, tok lengre tid å absorbere kryoprotektantløsningen, noe som medførte at det ble dannet noe is på den under avriming.
"Selv om vi var i stor humør, visste vi også at vi måtte forbedre oss, " legger Fahy til.
"Det er det nærmeste vi har kommet, " sier Taylor og legger til en advarsel. "Det var mer enn ti år siden, og hvis teknikken var robust nok, burde det ha vært rapporter og oppfølgingsstudier som vitner om funnet, noe som ikke har eksistert."
Fremdriften har delvis vært treg, sier Fahy, fordi den sluttet å produsere et kjemikalie som var en sentral del av metoden hans. Imidlertid har gruppen hans gjenvunnet terreng og kommet frem: På årsmøtet i Cryobiology Society i 2013 presenterte Fahy en metode som gjør at ledningen kan lastes raskere med kryobeskyttelsesmidler.
Til tross for Fahys optimisme, er det tydelig at når det gjelder å bevare store organer, representerer vitrifisering noen formidable utfordringer. Til å begynne med trengs høye konsentrasjoner av krybeskyttelsesmidler (minst fem ganger større enn ved konvensjonell langsom avkjøling) som kan forgifte celler og vev de skal beskytte.
Problemet forverres med større vev fordi det kreves mer tid for å laste forbindelsene, noe som betyr langsommere avkjølingstid og flere muligheter for giftig eksponering. I tillegg, hvis kjøling er for rask eller når for lave temperaturer, kan det oppstå sprekker.
Denne ekstremt delikate oppvarmingsprosessen gir flere hindringer. Hvis den forglassede prøven ikke varmes raskt eller ganske jevnt, gir glassigheten plass til krystallisering, en prosess kjent som devitrifisering og igjen, kan sprekker oppstå.
(Dette) er en utfordring vi ikke har overvunnet ennå, "sier John Bischof, kryobiolog og ingeniør ved University of Minnesota." Den begrensende faktoren er hastigheten og ensartetheten vi kan tine den. "Og det er fordi Oppvarming skjer vanligvis fra utsiden til innsiden.
I fjor foreslo Bischof og doktorgradsstudent Michael Etheridge en måte å løse problemet på: legg magnetiske nanopartikler til kryopbeskyttelsesløsningen.
Tanken er at partiklene sprer seg gjennom vevet, og når de først er begeistret av magnetfeltene, varme alt raskt og jevnt. Duoen jobber for tiden med Taylor og kollegene for å teste metoden i arteriene til kaniner.
Is i aksjon
For det meste har fremskritt på området kommet av prøving og feiling: testing av kombinasjoner av løsninger og metoder for frysing og tining.
Men forskere har også begynt å dra nytte av nye teknologier for å undersøke nærmere hvordan is oppfører seg i celler og vev.
Hvis prosessene blir forstått i detalj, kan det forventes at innovative og mer effektive metoder kan utformes for å kontrollere dem.
I løpet av de siste 12 månedene har det vært betydelige fremskritt på dette området. Taylor, som jobber med Yoed Rabin, maskiningeniør ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, introduserte en ny enhet som gjør det mulig å visualisere termiske bilder i full farge i høye oppløsninger på store volumstoffer.
I mellomtiden har Jens Karlsson fra Villanova University i Pennsylvania nylig fanget ultra-slow-motion mikroskopiske videosekvenser fra det øyeblikket isen kommer inn i små lommer mellom to tett bundne celler og deretter forårsaker krystallisering i dem.
Perspektivene på disse metodene kan gi nye ideer til hvordan man kan manipulere fryseprosessen, sier Karlsson, som prøver å finne ut hvordan man kan kryopreservere vev gjennom nøye kontroll av fryseprosessen og tining, i stedet for gjennom av vitrifisering.
En mulighet er å genetisk utforme celler som kan overtales til å danne celle-celleforbindelser som er i stand til å motstå kryokonservering. Den neste oppgaven ville være å finne en måte å rette dannelsen av ekstracellulær is på, slik at den ikke påvirker funksjonen til et organ.
Karlsson er også villig til å bruke datasimuleringer av fryseprosessen for effektivt å teste millioner av mulige protokoller.
"Vi trenger denne typen verktøy for å fremskynde fremgangen, " sier Karlsson, som sammenligner oppgaven med "å prøve å nå månen med en brøkdel av midlene som er dedikert til den innsatsen."
Selv med begrensede ressurser har området vist at isfri kryokonservering er praktisk for små vev, for eksempel et blodkar-segment. "Barrieren som gjenstår, og det er viktig, " sier Taylor, "er å skalere den til et menneskelig organ."
For Karlsson, som mistenker at slik innsats "kan støte inn i en vegg" før vitrifisering noen gang betjener menneskelige organer, representerer frysemetoder (eller det han kaller isbaserte metoder) en lik eller til og med en vei Mer pålitelig mot suksess.
Men det er en siste forestilling som må tas på alvor. "Ingen kryokonserveringsteknikk tilbyr 100% overlevelse av komponentceller, " sier Taylor.
"I mange bruksområder kan dette tolereres, men for et enkelt organ kan dette bety en betydelig reparasjonsskade etter lagring eller transplantasjon."
Til syvende og sist betyr det at uansett hvor godt kryokonserverte prøvene er, vil de sannsynligvis ha dårligere kvalitet sammenlignet med nyervervede organer.
Kilde:
