Onde sonore per risolvere il problema della ricristallizzazione nella crioconservazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7603 (2023) Citare questo articolo

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La biobanche di organi è il tema in sospeso della crioconservazione. Sebbene il problema sia multiforme, i progressi degli ultimi decenni lo hanno in gran parte legato al raggiungimento di un riscaldamento rapido e uniforme dei campioni crioconservati. Si tratta di una sfida fisica ampiamente studiata in passato insieme agli studi sulla tossicità dei crioprotettori, che hanno anch'essi mostrato grandi progressi. Questo articolo presenta una prova di principio, basata sul nematode Caenorhabditis elegans, di una tecnologia in grado di svolgere tale funzione: gli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità. Pertanto, evitando il problema della ricristallizzazione, questo verme, nel suo stato adulto, conservato a − \(80\;^\circ{\rm C}\), è stato sistematicamente riportato in vita dopo essere stato riscaldato con Ultrasuoni Focalizzati ad Alta Intensità (HIFU) onde. Il grande vantaggio di questa tecnologia è che è scalabile; inoltre, il riscaldamento può essere monitorato in tempo reale mediante termografia MRI e può essere controllato mediante interferometria acustica. Prevediamo che i nostri risultati siano il punto di partenza per un possibile approccio al riscaldamento che può essere utilizzato per la crioconservazione di sistemi su scala millimetrica: da solo o in combinazione con altri metodi di riscaldamento promettenti, come il nanoriscaldamento o il riscaldamento dielettrico, l’attuale tecnologia fornisce nuovi modi di risolvere gli aspetti fisici del problema della ricristallizzazione nella crioconservazione, aprendo la porta alla conservazione a lungo termine di campioni più grandi.

La conservazione degli organi in banche a bassa temperatura offre innumerevoli opportunità1,2. Attualmente, questa possibilità è rimasta sfuggente, con solo alcuni successi parziali e isolati, ad esempio nel rene del coniglio, nell'ovaio o nel fegato della pecora3,4,5. Sebbene esistano diverse strategie di crioconservazione, per la conservazione criogenica a lungo termine degli organi, il danno causato dall'eventuale comparsa di cristalli di ghiaccio è in gran parte responsabile di questa situazione. Nei paragrafi successivi cercheremo di inquadrare il problema nel contesto generale della crioconservazione. Successivamente capiremo perché un riscaldamento rapido e uniforme riesce ad evitare tutto ciò. Infine vedremo come gli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità siano in grado di offrire la soluzione.

Già nel 1940 Luyet6 capì bene che la glassificazione dei sistemi biologici era possibile semplicemente attraversando ad una velocità sufficiente la zona dove il ghiaccio poteva apparire. Ciò è rappresentato simbolicamente in Fig. 1: quando la temperatura sale o scende, si passa da una fase all'altra; possiamo però saltare una certa fase se il cambiamento di temperatura è abbastanza veloce. Possiamo quindi passare dal liquido al vetro, e viceversa, senza passare per lo stato cristallino; per questo è sufficiente che il tempo caratteristico di questa transizione sia inferiore al tempo caratteristico richiesto per la nucleazione e la crescita del ghiaccio.

Effetti delle velocità di raffreddamento e riscaldamento sul cambiamento di fase per un sistema acquoso. L'asse orizzontale rappresenta la temperatura in Kelvin, con le temperature di transizione tra i quattro stati (vetro, cristallo, liquido e gas) etichettate come e Tglass (temperatura di transizione vetrosa), Tmelt (temperatura di fusione) e Tboil (temperatura di vaporizzazione). Questo asse può essere percorso in entrambe le direzioni, corrispondenti ai cambiamenti di stato quando si attraversano le temperature contrassegnate. L'asse verticale rappresenta la velocità con cui avviene il cambiamento di temperatura. La disposizione delle molecole del sistema per i quattro stati citati è rappresentata in modo illustrativo. In questo diagramma è di particolare interesse la velocità con cui attraversa le temperature marcate, la più rilevante per l'argomento che ci interessa essendo il passaggio dallo stato liquido a quello vetroso. Un cambiamento di temperatura eccessivamente lento (valori bassi sull'asse verticale) per passare dalla fase liquida a quella vetrosa, e viceversa, implica il necessario passaggio attraverso la fase cristallina, che nei sistemi acquosi comporta la formazione di ghiaccio. Invece, elevate velocità di raffreddamento e/o riscaldamento (valori elevati sull'asse verticale) aggirano la regione "cristallina", dando un cambiamento diretto tra lo stato liquido e quello vetroso.