علم پزشکی به لطف یک مدل کامپیوتری جدید که پیش‌بینی می‌کند اندازه بافت در طول فرآیند نگهداری چگونه تغییر می‌کند، علم پزشکی گامی کلیدی به انجماد برش‌های مغز مورد استفاده در تحقیقات عصبی، سلول‌های پانکراس برای درمان دیابت و حتی کل اندام‌ها است.
یافته های این مطالعه به رهبری آدام هیگینز از کالج مهندسی دانشگاه ایالتی اورگان در منتشر شد مجله بیوفیزیکی.
هیگینز، دانشیار مهندسی زیستی، می‌گوید: «حفظ انجماد بافت‌ها برای تحقیقات زیست‌پزشکی و برای پزشکی پیوند مفید خواهد بود، اما به دلایل مختلف حفظ انجماد بافت‌ها دشوار است». “یک دلیل اصلی این است که تشکیل یخ می‌تواند بافتی را از داخل جدا کند. افرادی که آشپزی می‌کنند احتمالاً از قبل با این موضوع آشنا هستند – گوجه‌فرنگی که منجمد شده و ذوب شده تبدیل به لخت می‌شود.”
انجماد مدت‌هاست که به طور گسترده در کاربردهای نسبتاً ساده‌تری مانند حفظ مایع منی، خون، جنین و دانه‌های گیاهی استفاده می‌شود. یک مانع برای سایر کاربردها آسیب ناشی از کریستالیزاسیون یخ و ماهیت مضر ترکیبات اضافه شده برای جلوگیری از تشکیل یخ بوده است.
هیگینز توضیح می دهد که انجماد شیشه ای یک استراتژی حفظ انجماد است که آسیب بلورهای یخ را از طریق مواد شیمیایی موسوم به Cryoprotecants یا CPAs که می توانند از تشکیل یخ جلوگیری کنند، خنثی می کند. نمونه ای از CPA اتیلن گلیکول است که در ضدیخ خودرو استفاده می شود.
در بافت‌ها، غلظت کافی از CPA باعث می‌شود زمانی که دمای بافت به سطوح نیتروژن مایع کاهش می‌یابد، یک شیشه جامد به جای کریستال‌های یخ تشکیل شود. نیتروژن مایع در منفی 320 درجه فارنهایت می جوشد.
هیگینز گفت: «مشکل این است که این مواد شیمیایی به دلیل عبور آب از غشای سلولی و ترکیدن سلول‌ها می‌توانند باعث آسیب اسمزی شوند. آنها همچنین می توانند سلول ها را به دلیل سمیت از بین ببرند. بنابراین در طراحی بهترین روش انجماد، ترفند انتخاب بهترین مسیر بین شرایط فیزیولوژیکی طبیعی و حالت انجماد نهایی است – یعنی غلظت بالای CPA و دمای نیتروژن مایع.
از این رو نیاز به مدل سازی ریاضی است. هیگینز و همکارانش در کالج مهندسی، در تحقیقات قبلی که شامل یک لایه منفرد از سلول‌های اندوتلیال، که پوشش سیستم گردش خون را تشکیل می‌دهند، ارزش مدلی را نشان دادند که شامل سمیت CPA، آسیب اسمزی و انتقال جرم بود. این مدل‌سازی رویکردی را برای بارگذاری CPA آشکار کرد که غیرمعمول بود: تحریک سلول‌ها به متورم شدن.
محققان دریافتند که اگر سلول‌ها در ابتدا در معرض غلظت کم CPA قرار گیرند و به آنها زمان داده شود تا متورم شوند، نمونه می‌تواند پس از افزودن سریع غلظت بالا، شیشه‌ای شود. هیگینز گفت که نتیجه سمیت کلی بسیار کمتر بود. بقای سلول های سالم پس از انجماد شیشه ای از حدود 10٪ با رویکرد معمولی به بیش از 80٪ افزایش یافت.
وی گفت: “بزرگترین مشکل منفرد و عامل محدود کننده در انجماد، سمیت CPA است و روش تورم برای رفع آن بسیار مفید بود.” مقاله جدید ما این خط تحقیقات را با ارائه مدل جدیدی از انتقال جرم در بافت گسترش می‌دهد؛ یک ویژگی کلیدی این است که امکان پیش‌بینی تغییرات اندازه بافت را فراهم می‌کند.
هیگینز خاطرنشان می کند که مشاهداتی از تغییر اندازه بافت های مختلف پس از قرار گرفتن در معرض محلول های CPA وجود داشته است. غضروف، بافت تخمدان و گروه‌هایی از سلول‌های لوزالمعده که به جزایر معروف هستند، از جمله آنها هستند. او گفت که به احتمال زیاد، این تغییرات اندازه ملاحظات مهمی برای طراحی روش‌های انجماد بافت هستند.
هیگینز گفت: “رویکرد مدل سازی انتقال جرم مرسوم به قانون فیک معروف است و فرض می کند اندازه بافت ثابت می ماند.” “مدل جدید ما که برای دو نوع بسیار متفاوت بافت، غضروف مفصلی و جزایر پانکراس استفاده کردیم، راه را برای گسترش رویکرد بهینه‌سازی ریاضی قبلی ما برای طراحی روش‌های بهتر برای حفظ انجماد انواع مختلف بافت باز می‌کند.”
هیگینز گفت، همانطور که انجماد بافت‌های پیچیده‌تر امکان‌پذیر می‌شود، احتمالاً کاربردهای جدید برای آن امکان‌پذیر می‌شود – به‌ویژه با ادامه پیشرفت در زمینه به سرعت در حال پیشرفت بازسازی بافت، که در آن سلول‌های بنیادی می‌توانند برای رشد بافت‌های جدید یا حتی کل استفاده شوند. اندام ها
او گفت که می‌توان بافت‌ها را در مقادیر کم ساخته و تا زمانی که برای پیوند مورد نیاز باشد ذخیره کرد. اعضای اهدایی برای پیوند را می توان به طور معمول حفظ کرد تا زمانی که یک تطابق دقیق ایمنی پیدا شود. هیگینز گفت، همچنین خارج از قلمرو امکان نیست که افراد می توانند قلب یا کبد پشتیبان را از سلول های بنیادی خود پرورش دهند و در صورت نیاز آن را برای استفاده در آینده تبدیل به شیشه کنند.
وی افزود که توسعه دارو زمینه دیگری است که از پتانسیل بهبودیافته و توسعه یافته انجماد سود می برد.
آزمایش دارو معمولاً در سیستم‌های کشت سلولی سنتی یا در مدل‌های حیوانی انجام می‌شود، که اغلب به طور دقیق تأثیر دارو را در افراد پیش‌بینی نمی‌کنند. «ارگان‌های روی یک تراشه» جدید – اتاق‌های میکروسیالی حاوی سلول‌های انسانی که تحت شرایطی که بافت‌ها یا اندام‌های بومی را تقلید می‌کنند، کشت می‌شوند – ممکن است قادر به پیش‌بینی دقیق‌تر واکنش‌های دارویی در افراد باشند، اما استفاده از آنها باعث می‌شود که سلول‌ها در طولانی‌مدت ذخیره شوند، همانطور که انجماد اجازه می‌دهد.
راس وارنر، همکار پژوهشی در کالج مهندسی OSU، علی اروغلو از دانشگاه آگوستا در جورجیا و رابین شاتل ورث و جیمز بنسون از دانشگاه ساسکاچوان با هیگینز همکاری کردند.
مؤسسه ملی بهداشت بودجه ای را برای این تحقیق فراهم کرد.