过冷技术进步保护人体组织

加州大学伯克利分校的研究人员成功地恢复人类心脏组织后,一直保存在零下1到3天过冷状态。

通过保护心脏组织在严格的等体积的定容室,人员能够防止冰晶的形成,微心肌细胞受损。研究人员检查心脏细胞的结构完整性和测试是否组织保留正常功能,如自主跳动和响应性药物和外部电刺激。

9月22日发表的一篇论文中描述的结果,在《生物学通讯,是过冷的一个关键概念组织冷冻保存。

他们当前使用的方法,称为等体积的过冷,Boris Rubinsky率先在实验室,加州大学伯克利分校的研究生院教授机械工程学系名誉教授生物工程和该研究的资深作者。

“据我们所知,这是第一次报告的过冷和复兴自主跳动,改造人类心肌,”说研究位联席作者Matt Powell-Palm Rubinsky实验室的博士后学者。

Rubinsky指出,这些结果对保存和运输产生短期影响organ-on-a-chip平台,扩大超出了选择一些能够生产他们的实验室研究和工业。“这样的平台是有价值的工具,用于新药的设计对心脏和其他器官的疾病,”他说。

结果还表明,等体积的过冷可能是一个可行的技术在未来保持供体组织和器官,移植面临的一项艰巨的挑战社会和医学研究领域,该研究的作者说。研究者引用估计,十之有七的胸捐献器官每年被丢弃,因为无力保护他们足够长的时间到达需要帮助的病人。例如捐献者的可行性,以小时,这极大地限制了潜在的受者可能受益于拯救生命的移植。

“目前,患者在佛罗里达不能接收来自加州的心脏或肺部,因为器官不会生存越野旅行,“Powell-Palm说。

解决这些挑战的一个关键目标是保护生物系统的先进技术(ATP-Bio)工程研究中心,去年由美国国家科学基金会资助。凯文·e·希利生物工程和材料科学与工程教授是加州大学伯克利分校ATP-Bio和另一本研究的资深作者。

没有冰的空间

体积恒定状态特征的等体积的冻结需要保存在液体样品在一个密封的,没有空气的刚性容器中。这样的条件收益率没有破坏细胞冰形成的空间,即使在温度低于冰点。

这有别于传统的等压冻结,材料在恒压与大气接触的。样品被冻结固体在大气压力下,这一过程也需要更多的能量。

Rubinsky指出,在以前的研究中,他们已经能够样品冷却到摄氏零下22度,同时保持40%的材料解冻。“这是基本的热力学。当材料被冻结在一个刚性的盒子,然后只体积结冰的一部分,”他说。

Rubinsky Powell-Palm和美国农业部的科学家们最近发现,等体积的冷冻可以应用于食品工业,导致更好的质量保护食物和减少能源消耗与传统的冷冻方法相比。

研究者持有加州大学专利等体积的过冷,Powell-Palm BioChoric Inc .的首席执行官,公司致力于该技术的临床翻译。

暖人心房的结果

在这项研究中,研究人员使用心脏组织从成体干细胞,heart-on-a-chip系统于2015年在希利的实验室开发。心脏组织节拍节奏与人类的心,和系统的微流控通道复制的细胞暴露于营养和药物。

“这不是说这些生物样本存活过冷,”希利说。“我们想证明生理和代谢功能仍然基本完好无损。”

研究者淹没heart-on-a-chip刚性室挤满了一个常见的器官保存液被冷却至零下3摄氏度。他们将心脏细胞从解决方案经过时间的24日,48或72小时,并返回一个温暖37摄氏度。

检查确诊的心脏组织,等体积的过冷没有改变心脏组织的结构完整性,也没有显著地影响了波形率或节拍。这项研究指出,有轻微上升趋势的持续时间较长的心跳过冷时期,但这一变化的生理影响还不清楚。

他们发现自发恢复65%到80%的人类心脏肌肉芯片过冷了三天。此外,他们没有发现显著差异造成过冷保存的时间。

“我们认为这些百分比相对较高的保护恢复的结果,尤其是考虑到内在可变性在这些heart-on-a-chip平台和没有使用冷冻保护剂,“Powell-Palm说。

研究人员还发现,低温贮藏后,心脏组织仍对异丙肾上腺素,导致增加心率的药物。

研究人员强调,需要进一步扩大这些结果完整的器官。

“冷却组织使用的技术是声音和强劲,但我们现在需要开发技术持续温暖的东西,”希利说。“这是简单的迷你心脏肌肉用于这项研究。在整个器官需要更多的工作。”

参考:Powell-Palm MJ, Charwat V, Charrez B, B西蒙表示,希利克Rubinsky B等体积的过冷保存和人类心脏microtissues的复兴。Commun杂志。2021;4 (1):1 - 7。doi:10.1038 / s42003 - 021 - 02650 - 9

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