Ondas sonoras para resolver o problema da recristalização na criopreservação

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7603 (2023) Citar este artigo

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O biobanco de órgãos é o assunto pendente da criopreservação. Embora o problema seja multifacetado, os avanços nas últimas décadas relacionaram-no em grande parte com a obtenção de um reaquecimento rápido e uniforme de amostras criopreservadas. Este é um desafio físico amplamente investigado no passado, além de estudos de toxicidade crioprotetora, que também mostraram um grande avanço. Este artigo apresenta uma prova de princípio, baseada no nematóide Caenorhabditis elegans, de uma tecnologia capaz de desempenhar tal função: o ultrassom focalizado de alta intensidade. Assim, evitando o problema da recristalização, este verme, em seu estado adulto, preservado em − \(80\;^\circ{\rm C}\), tem sido sistematicamente trazido de volta à vida após ser aquecido com Ultrassom Focalizado de Alta Intensidade (HIFU) ondas. A grande vantagem desta tecnologia é que ela é escalável; além disso, o reaquecimento pode ser monitorado em tempo real por termografia de ressonância magnética e controlado por interferometria acústica. Antecipamos que nossas descobertas são o ponto de partida para uma possível abordagem de reaquecimento que pode ser usada para criopreservação de sistemas em escala milimétrica: isoladamente ou em combinação com outras formas promissoras de aquecimento, como nanoaquecimento ou aquecimento dielétrico, a tecnologia atual fornece novas maneiras de resolver os aspectos físicos do problema da recristalização na criopreservação, abrindo a porta para o armazenamento a longo prazo de amostras maiores.

A preservação de órgãos em bancos a baixas temperaturas oferece inúmeras oportunidades1,2. Actualmente, esta possibilidade permanece indefinida, com apenas alguns sucessos parciais e isolados, ou seja, no rim de coelho, ovário de ovelha ou fígado3,4,5. Embora existam diferentes estratégias de criopreservação, para o armazenamento criogénico de órgãos a longo prazo, os danos causados ​​pelo eventual aparecimento de cristais de gelo são os grandes responsáveis ​​por esta situação. Nos parágrafos seguintes tentaremos enquadrar o problema no contexto geral da criopreservação. A seguir entenderemos por que o reaquecimento rápido e uniforme consegue evitar isso. Por fim, veremos como o ultrassom focalizado de alta intensidade é capaz de oferecer a solução.

Já em 1940, Luyet6 compreendeu bem que a vitrificação dos sistemas biológicos era possível simplesmente atravessando a zona onde o gelo poderia aparecer a uma velocidade suficiente. Isso está representado simbolicamente na Figura 1: quando a temperatura sobe ou desce, passamos de uma fase para outra; entretanto, podemos pular uma determinada fase se a mudança de temperatura for rápida o suficiente. Assim, podemos passar do líquido ao vidro, e vice-versa, sem passar pelo estado cristalino; para isso basta que o tempo característico dessa transição seja menor que o tempo característico necessário para a nucleação e crescimento do gelo.

Efeitos das taxas de resfriamento e aquecimento na mudança de fase de um sistema aquoso. O eixo horizontal representa a temperatura em Kelvin, com as temperaturas de transição entre os quatro estados (vidro, cristal, líquido e gás) rotuladas como Tglass (temperatura de transição vítrea), Tmelt (temperatura de fusão) e Tboil (temperatura de vaporização). Este eixo pode ser percorrido em ambos os sentidos, correspondendo às mudanças de estado ao cruzar as temperaturas marcadas. O eixo vertical representa a velocidade com que ocorre a mudança de temperatura. A disposição das moléculas do sistema para os quatro estados mencionados é representada de forma ilustrativa. Neste diagrama, tem especial interesse a velocidade com que atravessa as temperaturas marcadas, sendo a mais relevante para o tema que nos interessa a passagem do estado líquido para o vítreo. Uma mudança de temperatura excessivamente lenta (valores baixos no eixo vertical) para passar da fase líquida para a fase vítrea, e vice-versa, implica a necessária passagem pela fase cristalina, o que em sistemas aquosos implica a formação de gelo. Em vez disso, altas taxas de resfriamento e/ou aquecimento (valores altos no eixo vertical) contornam a região "cristalina", proporcionando uma mudança direta entre os estados líquido e vítreo.