Ondas sonoras para resolver o problema da recristalização na criopreservação

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 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 o relacionaram em grande parte ao alcance de um reaquecimento rápido e uniforme de amostras criopreservadas. Este é um desafio físico amplamente investigado no passado, além de estudos de toxicidade de crioprotetores, que também mostraram uma grande quantidade de avanço. Este trabalho apresenta a prova de princípio, baseada no nematoide Caenorhabditis elegans, de uma tecnologia capaz de realizar 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 dessa tecnologia é que ela é escalável; além disso, o reaquecimento pode ser monitorado em tempo real por termografia de ressonância magnética e pode ser 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 oferece novas maneiras de resolver os aspectos físicos do problema da recristalização na criopreservação, abrindo as portas para o armazenamento a longo prazo de amostras maiores.

A preservação de órgãos em bancos a baixas temperaturas oferece inúmeras oportunidades1,2. Atualmente, essa possibilidade permanece indefinida, com apenas alguns sucessos parciais e isolados, ou seja, em rim de coelho, ovário de ovelha ou fígado3,4,5. Embora existam diferentes estratégias de criopreservação, para o armazenamento criogênico de longo prazo de órgãos, o dano causado pelo eventual aparecimento de cristais de gelo é o grande responsável por essa 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 entendeu bem que a vitrificação dos sistemas biológicos era possível simplesmente atravessando a zona onde o gelo poderia aparecer a uma velocidade suficiente. Isso é representado simbolicamente na Fig. 1: quando a temperatura sobe ou desce, passamos de uma fase para outra; no entanto, podemos pular uma certa 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 para 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 ambas as direções, correspondendo às mudanças de estado ao cruzar as temperaturas marcadas. O eixo vertical representa a velocidade na qual a mudança de temperatura ocorre. A disposição das moléculas do sistema para os quatro estados mencionados está representada de forma ilustrativa. Neste diagrama, a velocidade com que atravessa as temperaturas marcadas é de especial interesse, sendo a mais relevante para o tema que nos interessa a passagem do estado líquido para o estado vítreo. Uma mudança de temperatura excessivamente lenta (valores baixos no eixo vertical) para passar da fase líquida à vítrea, e vice-versa, implica a passagem necessária pela fase cristalina, que em sistemas aquosos implica a formação de gelo. Em vez disso, altas taxas de resfriamento e/ou aquecimento (altos valores no eixo vertical) contornam a região "cristalina", dando uma mudança direta entre os estados líquido e vítreo.