Осуществлена обратимая заморозка органа с помощью наночастиц!

Американские медики впервые смогли успешно разморозить кусочки замороженных тканей и органов, не повредив при этом клеток и межклеточной среды, используя индукционный нагрев наночастиц из оксида железа, говорится в статье "Улучшенная криоконсервация тканей с помощью индукционного нагрева магнитных наночастиц", опубликованной в журнале Science Translational Medicine 1 марта 2017 г.  (Vol. 9, Issue 379).

"Нам впервые удалось показать, что мы можем взять крупные образцы биоматерии и быстро разморозить ее, не повреждая тканей, повышая температуру на сотни градусов за минуту. Подобные результаты радуют нас и позволяют надеяться, что в будущем мы сможем создать целые банки замороженных органов для трансплантации", — заявил один из соавторов исследования Джон Бишоф (John Bischof) из университета Миннесоты в Миннеаполисе (США).

Одной из главной проблемой при пересадке органов является то, что почти все органы, в том числе сердце, печень и почки, живут крайне недолго вне живого тела. В среднем, их можно хранить даже при околонулевых температурах лишь несколько часов, после чего их пересадка станет опасной для пациента. Поэтому больше половины потенциальных трансплантатов врачи не могут использовать, они просто успевают испортиться...

Как рассказывает Бишоф, решение этой проблемы очевидно – органы можно заморозить и разморозить их только тогда, когда в этом появится необходимость. Но не все так просто – при простой заморозке органов и тканей в их клетках начинают формироваться кристаллы воды, в буквальном смысле разрывающие мембраны клеток и убивающие их.

Некоторые животные, такие, как лягушки или черви, решили для себя эту проблему: в их организме содержится специальное вещество-"антифриз", криопротектор, препятствующее формированию кристаллов и позволяющее таким существам пережить заморозку. Первые синтетические аналоги таких веществ, превращающие замороженные органы в своеобразное ледяное "стекло", были созданы два десятилетия назад (процесс называется витрификацией).

Однако и в данном случае ученые столкнулись с новыми проблемами – оказалось, что правильно разморозить орган так же сложно, как и правильно заморозить его, и эта проблема до сих пор не была полностью решена — в лучшем случае выживает около 80% клеток, чего недостаточно для нормальной работы любого органа. Бишоф и его коллеги добились 100% результата и сделали последний шаг на пути к неограниченному хранению органов, создав своеобразный антипод технологии мгновенной заморозки.

Проблема при разморозке органов заключалась в том, что замороженные ткани разогревались неравномерным образом, в результате чего их клетки и они сами в целом получали различные повреждения, в том числе - могли трескаться. Соответственно, если бы существовала технология равномерной и очень быстрой разморозки, то тогда проблема обратимой криоконсервации органов (а позже и целых крупных организмов млекопитающих) была бы решена.

Ученые из университета Миннесоты нашли ответ на этот вопрос в мире наночастиц. Они обратили внимание на то, что микроскопические фрагменты железа и многих других металлов можно нагреть до сверхвысоких температур в сотни и тысячи градусов Цельсия, облучая их радиоволнами или микроволнами. Сегодня такие наночастицы ученые используют для "выжигания" раковых опухолей, где они быстро накапливаются после введения их в организм.

Оказалось, что эти же самые наночастицы можно применять для "мгновенной разморозки" органов. Как рассказывают медики, добавление даже небольшого числа  наночастиц в ткани защищает клетки от повреждений и позволяет разморозить их буквально за минуту, повысив температуру с -160^о С до комнатной температуры.

Работу этой методики ученые продемонстрировали, заморозив и разморозив несколько сердечных клапанов и артерий, извлеченных из сердца свиней. Как показали микроскопические исследования результатов экспериментов, подвергшиеся такой криоконсервации ткани и органы были лишены повреждений и в целом не отличались по структуре от других частей сердца, не подвергавшихся заморозке.

Сейчас данная технология, как признают Бишоф и его коллеги, еще не пригодна для заморозки больших органов – все опыты велись на небольших кусочках ткани, объем упаковки которых не превышал 50 мл. Но американские исследователи уверены, что им удастся адаптировать данную методику для разморозки образцов массой в килограмм и объемом в литр, и считают, что технология будет работать и за этими пределами.

01.03.2017 

Выдержки из статьи "Улучшенная криоконсервация тканей с помощью индуктивного нагрева магнитных наночастиц"

Трансплантация органов ограничена наличием жизнеспособных донорских органов. Хотя хранение при очень низких температурах (криоконсервация) может увеличить время между извлечением органов и трансплантацией, современный золотой стандарт для согревания (конвекция) приводит к растрескиванию и кристаллизации в образцах размером более нескольких миллилитров. Манучехрабади и соавт. продемонстрировать согревание клеток и тканей радиочастотным индуктивным нагревом с использованием магнитных наночастиц, взвешенных в растворе криопротектора. Этот метод нанонагревания быстро и равномерно прогревал криоконсервированные фибробласты, свиные артерии и ткани сердца свиньи в системах объемом до 50 мл, давая ткани с более высокой жизнеспособностью, чем конвективное согревание.

Абстракт

Витрификация, кинетический процесс затвердевания жидкости с превращением в стеклообразную форму, создает много потенциальных преимуществ для криоконсервации тканей, включая хранение на неопределенный срок, хранение и облегчение подбора тканей для трансплантации. Однако на сегодняшний день успешное повторное нагревание тканей, витрифицированных в VS55, растворе криопротектора, может быть достигнуто только путем конвективного нагревания небольших объемов, порядка 1 мл. Успешное согревание требует как равномерных, так и быстрых скоростей, чтобы уменьшить термические механические нагрузки и трещины, а также предотвратить кристаллизацию в фазе согревания. Мы представляем масштабируемую технологию наноразогрева для образцов объемом от 1 до 80 мл с использованием наночастиц оксида железа, покрытых мезопористым оксидом железа, с радиочастотным возбуждением в VS55. Для проверки введения и выведения VS55 и наночастиц, а также успешности витрификации свиных артерий использовались расширенные изображения, в том числе развертки с использованием преобразования Фурье и микрокомпьютерной томографии. Затем нанонагрев использовался для демонстрации равномерного и быстрого согревания при > 130 ° С / мин как в физической (от 1 до 80 мл), так и в биологической системах, включая клетки дермальных фибробластов, свиные артерии и ткани створки клапана аорты сердца свиньи (от 1 до 50 мл). Нанонагревание дало жизнеспособность, которая соответствовала контролю и / или превышала конвективный нагрев золотого стандарта в системах объемом от 1 до 50 мл и улучшала жизнеспособность по сравнению с медленно прогреваемыми (кристаллизованными) образцами. Наконец, биомеханическое тестирование не выявило существенных изменений биомеханических свойств в длине кровеносных сосудов или модуле упругости после наноразогревания по сравнению с необработанными свежими контрольными свиными артериями. В совокупности эти результаты демонстрируют новые физические и биологические доказательства того, что наноразогрев может улучшить результат витрифицированного криогенного хранения тканей в образцах больших объемов.

Об авторах:

Джон К. Бишоф (John C. Bischof) - профессор кафедры машиностроения Университета Миннесоты, Миннеаполис, США.

Последнее направление исследований сосредоточено на использовании оксида железа и наночастиц золота для улучшения термической терапии. Например, оксид железа можно использовать для выявления и разогрева рака. Кроме того, наночастицы золота могут быть использованы для доставки лекарств или неоадъювантов и локального нагревания рака путем их возбуждения за счет электромагнитных и оптических источников.

В настоящее время ведутся фундаментальные исследования биораспределения и нагрева наночастиц на клеточном и тканевом уровнях в зависимости от типа, покрытия, размера и заряда наночастиц. Вкратце лаборатория фокусируется на основных аспектах термического повреждения и прикладных работах по характеристике и разработке устройств для сохранения и разрушения клеток и тканей с помощью тепла или холода.

Characterization of Laser Gold Nanowarming: A Platform for Millimeter-Scale Cryopreservation

Навид Манучерабади (Navid Manuchehrabadi) - научный сотрудник кафедры машиностроения Университета Миннесоты, Миннеаполис, США.
Направление исследований: 

• Сохранение целых репродуктивных органов с помощью следующего поколения перфузии, криопротекции и наноразогрева в сотрудничестве с Sylvatica Biotech,
• Криоконсервация почек кролика и нанопогревание в сотрудничестве с компанией "Медицина 21-го века " (21st Century Medicine).