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Jul 31, 2023

冷凍保存における再結晶の問題を解決するための音波

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7603 (2023) この記事を引用 1092 アクセス 4 Altmetric Metrics の詳細 臓器のバイオバンキングは、凍結保存の懸案事項です。 問題はあるものの、

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7603 (2023) この記事を引用

1092 アクセス

4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

臓器のバイオバンキングは、凍結保存の懸案事項です。 この問題は多面的ですが、ここ数十年の進歩は主に、凍結保存されたサンプルの迅速かつ均一な再加温の達成に関連しています。 これは、凍結保護剤の毒性研究に加えて、過去に主に研究された物理的な課題であり、大幅な進歩も示されています。 この論文は、線虫 Caenorhabditis elegans に基づいて、そのような機能を実行できる技術、つまり高密度焦点式超音波の原理証明を示します。 したがって、再結晶の問題を回避して、成虫の状態で− \(80\;^\circ{\rm C}\) で保存されたこの虫は、高密度焦点式超音波で加熱された後、体系的に生き返らせられました。 (HIFU) 波。 このテクノロジーの大きな利点は、スケーラブルであることです。 さらに、再加温は MRI サーモグラフィーによってリアルタイムで監視でき、音響干渉計によって制御できます。 私たちは、私たちの発見が、ミリメートルスケールの系の凍結保存に使用できる再加温への可能なアプローチの出発点であると期待しています。単独で、またはナノ加温や誘電加熱などの他の有望な加熱方法と組み合わせて、現在の技術は新しい方法を提供します。冷凍保存における再結晶の問題の物理的側面を解決し、より大きなサンプルの長期保存への扉を開きます。

低温で臓器をバンクに保存することは、数え切れないほどの可能性をもたらします1,2。 現在、この可能性はとらえどころのないままで、ウサギの腎臓、羊の卵巣、肝臓など、部分的かつ孤立した成功例がいくつかあるだけです 3,4,5。 さまざまな冷凍保存戦略がありますが、臓器の長期極低温保存では、最終的に現れる氷の結晶によって引き起こされる損傷がこの状況の主な原因です。 次の段落では、凍結保存の一般的な文脈の中で問題を組み立てていきます。 次に、なぜ急速かつ均一な再温暖化がこれを回避できるのかを理解します。 最後に、高密度焦点式超音波がどのようにソリューションを提供できるかを見ていきます。

Luyet6 はすでに 1940 年に、氷が十分な速度で現れるゾーンを通過するだけで生物系のガラス化が可能であることをよく理解していました。 これは図 1 に象徴的に表されています。温度が上昇または下降すると、ある段階から別の段階に移行します。 ただし、温度変化が十分に速い場合は、特定のフェーズをスキップできます。 したがって、結晶状態を経ることなく、液体からガラスに、またその逆に進むことができます。 このためには、この遷移の特性時間が、氷の核生成と成長に必要な特性時間より短ければ十分です。

水系の相変化に対する冷却速度と昇温速度の影響。 横軸は温度をケルビン単位で表し、4 つの状態 (ガラス、結晶、液体、気体) 間の転移温度を Tglass (ガラス転移温度)、Tmelt (融解温度)、Tboil (蒸発温度) として示します。 この軸は両方向に移動でき、マークされた温度を超えるときの状態の変化に対応します。 縦軸は温度変化の速度を表します。 前述の 4 つの状態に対する系の分子の配置を例示的に示します。 この図では、マークされた温度を通過する速度が特に興味深いものであり、液体からガラス状態への変化という私たちにとって関心のあるトピックに最も関連しています。 液体からガラス相へ、またはその逆への温度変化が遅すぎる (縦軸の低い値) 場合は、結晶相を通過する必要があることを意味し、水系では氷の形成を意味します。 代わりに、高い冷却速度および/または昇温速度 (縦軸の高い値) は「結晶」領域をバイパスし、液体状態とガラス状態の間で直接変化を与えます。