Après la perfusion des agents cryoprotecteurs, le patient n'est pas simplement plongé dans l'azote liquide.
Il suit un programme de température piloté par ordinateur, qui s'étale sur plusieurs jours. Des capteurs placés à l'intérieur du corps indiquent si les différentes régions anatomiques refroidissent de concert ou si des écarts thermiques dangereux apparaissent entre elles.
Le problème technique évolue au fil de la descente. Le refroidissement initial doit avant tout limiter la formation de glace. À l'approche de la transition vitreuse, puis en dessous, la précision et l'homogénéité thermique deviennent plus importantes que la vitesse.
Pourquoi un refroidissement contrôlé est nécessaire
Les agents cryoprotecteurs réduisent la vitesse de refroidissement nécessaire pour éviter la formation de glace. Ils permettent aux tissus riches en eau de passer à un état vitreux, très visqueux, plutôt que de cristalliser massivement.
La température de transition vitreuse, notée Tg, dépend de la solution, de sa concentration et de la méthode de mesure. Il s'agit d'une plage de valeurs, non d'un seuil biologique universel.
Pour les solutions utilisées en cryoconservation humaine, cette plage se situe généralement entre −120 °C et −135 °C.
Au-dessus de cette plage, un refroidissement trop lent peut permettre la nucléation puis la croissance de cristaux de glace. En dessous, le matériau se comporte de plus en plus comme un solide cassant.
Si la surface refroidit beaucoup plus vite que le centre, les différentes régions se contractent de façon inégale. La contrainte thermomécanique qui en résulte peut provoquer des fissures.
Il en découle une trajectoire contrainte : refroidir assez vite avant la vitrification, puis contrôler les écarts thermiques et la vitesse de descente à mesure que le patient passe à l'état vitreux.
Voir la différence entre congélation et vitrification pour comprendre le comportement de phase sous-jacent.
Le caisson de refroidissement de première génération
Le système de première génération de Tomorrow.bio, appelé caisson de refroidissement V1, a établi l'architecture de base pour un refroidissement contrôlé du corps entier.
Le patient est placé dans une enceinte isolée dédiée. Un ordinateur contrôle l'environnement cryogénique de l'enceinte tandis que des thermocouples mesurent la température en plusieurs points.
Le contrôleur suit une courbe programmée plutôt que d'appliquer un refroidissement maximal en continu. Chaque canal de mesure est enregistré et vient enrichir l'historique thermique du patient.
Cette approche diffère déjà fondamentalement de l'immersion directe. La machine peut ralentir, stabiliser ou modifier les conditions de l'enceinte en fonction du comportement réel du patient.
Le système de seconde génération, fondé sur un dewar
La conception de seconde génération de Tomorrow.bio intègre le refroidissement contrôlé directement dans un dewar conçu à cet effet.
Le patient reste à l'intérieur du dewar, dont un couvercle spécialisé regroupe le matériel de refroidissement, les commandes informatiques, les vannes, les connexions des capteurs et les passages étanches des thermocouples.
Des thermocouples sont positionnés en plusieurs points à l'intérieur du patient. D'autres capteurs surveillent l'environnement thermique à l'intérieur du dewar.
Le système ne se contente donc pas de suivre la consigne demandée. Il observe la vitesse à laquelle les différentes régions mesurées du patient réagissent.
L'ordinateur ajuste le gradient de température du dewar et la vitesse de descente pour maintenir ces mesures dans la plage autorisée par le protocole.
Un corps de grande taille ne peut pas être parfaitement isotherme pendant le refroidissement. L'objectif pratique est de minimiser les écarts et d'empêcher qu'une région mesurée ne prenne dangereusement de l'avance ou du retard.
La géométrie du dewar réduit également les manipulations entre le refroidissement contrôlé et le stockage cryogénique. La même enceinte close peut offrir un environnement stable et symétrique autour du patient.
La température de consigne n'est pas la température du patient
Un contrôleur peut refroidir rapidement l'environnement. Il ne peut pas faire en sorte que le centre d'un corps humain atteigne instantanément cette même température.
La chaleur doit d'abord se propager des tissus profonds vers la surface. La géométrie du corps, sa composition, la répartition des agents cryoprotecteurs et la position des capteurs influencent tous le décalage observé.
C'est pourquoi un capteur unique dans l'enceinte ne suffit pas : un environnement nominal à −130 °C ne prouve pas que chaque région mesurée du patient a effectivement atteint −130 °C.
Le système de contrôle doit tenir compte à la fois de la température absolue et de l'écart entre les différents canaux. Le point le plus lent, le point le plus rapide et l'écart global portent chacun une information.
L'étalonnage des thermocouples, leur emplacement et la continuité de leurs mesures comptent également. Une lecture invraisemblable ou une panne de capteur doit être signalée, et non discrètement lissée dans la courbe.
Le protocole de température en trois phases de Tomorrow.bio
Le protocole actuel comporte trois phases distinctes. Les valeurs indiquées sont des cibles opérationnelles propres à cet équipement et à cette approche de cryoprotection, non des constantes universelles valables pour tout système de vitrification.
1. Descendre rapidement vers −130 °C
La première phase fait passer le patient de la température de la carboglace à environ −130 °C, aussi vite que l'écart de température mesuré le permet en toute sécurité.
La vitesse compte ici parce que des régions insuffisamment protégées peuvent encore former de la glace avant que le tissu ne passe à l'état vitreux.
L'ordinateur ne se fie pas au seul temps écoulé : il surveille les thermocouples et ajuste l'environnement de refroidissement autour du patient.
2. Autoriser un rebond contrôlé vers −120 °C
Une fois environ −130 °C atteints, le refroidissement actif est réduit et le patient est autorisé à se réchauffer naturellement jusqu'à environ −120 °C.
Il s'agit d'une phase de recuit. À proximité de Tg, le matériau cryoprotégé conserve suffisamment de mobilité moléculaire pour permettre à une partie des contraintes mécaniques accumulées de se relâcher.
Ce rebond laisse aussi le temps aux régions plus chaudes et plus froides de se rapprocher avant que le matériau ne s'enfonce plus profondément dans son état vitreux rigide.
Le recuit ne répare pas les dommages biologiques préexistants. Sa fonction est plus limitée : réduire les écarts thermiques et les contraintes engendrées par une contraction inégale.
3. Descendre jusqu'à −196 °C à environ 1 °C par heure
À partir d'environ −120 °C, la descente cible est d'environ 1 °C par heure jusqu'à ce que le patient atteigne la température de l'azote liquide.
Cet intervalle final de 76 degrés dure environ trois jours, sans même compter les paliers et les ajustements de contrôle.
Maintenir 1 °C par heure sur un corps volumineux et thermiquement hétérogène relève d'un problème de contrôle, non d'un simple réglage de minuterie.
Le contrôleur doit continuellement ajuster l'environnement du dewar pour que les thermocouples internes descendent de concert sans créer d'écarts excessifs.
Lorsqu'une région prend du retard, refroidir davantage l'environnement risque de sur-refroidir une autre région. La précision consiste à équilibrer l'ensemble des capteurs, non à poursuivre une seule mesure.
Pourquoi la phase de recuit est scientifiquement plausible
Les recherches sur la vitrification à grande échelle identifient deux zones de défaillance concurrentes : un refroidissement insuffisant au-dessus de Tg et une contrainte mécanique excessive autour et en dessous de Tg.
Une étude de 2024 sur la vitrification à l'échelle d'un organe humain a utilisé de multiples sondes internes et conclu que le recuit réduit les écarts thermiques avant que le matériau n'entre dans la phase vitreuse.
La même étude a montré qu'un refroidissement lent en dessous de la zone de recuit aide à éviter que des écarts et des contraintes importantes ne se reconstituent.
Des travaux distincts sur la thermomécanique ont montré qu'un recuit à proximité de Tg modifie sensiblement la contrainte résiduelle et atténue sa dépendance à la vitesse de refroidissement précédente.
Ces études confortent la stratégie de contrôle sous-jacente. Elles ne valident pas pour autant, de façon indépendante, chaque valeur de consigne exacte du protocole corps entier de Tomorrow.bio.
Un corps humain entier est plus volumineux et plus hétérogène qu'une solution de laboratoire ou qu'un organe isolé. Les relevés directs de température et l'imagerie postérieure au refroidissement restent nécessaires.
Ce que l'ordinateur enregistre
Le résultat utile n'est pas un simple message indiquant « refroidissement terminé ». C'est la série temporelle complète de chaque canal de température.
Cet enregistrement doit montrer les vitesses, les paliers, les rebonds, les écarts entre capteurs, les actions du contrôleur, les alarmes et tout écart par rapport à la courbe prévue.
Ces données viennent nourrir l'évaluation de la qualité de la cryoconservation.
Après le refroidissement, un examen tomodensitométrique standardisé à la température de l'azote liquide permet de rechercher la répartition des agents cryoprotecteurs, la présence de glace, des déformations importantes et des fractures que les seules données de température ne peuvent révéler.
Pourquoi finir à la température de l'azote liquide
À pression atmosphérique normale, l'azote bout aux alentours de 77,34 kelvins, soit environ −195,8 °C, selon le NIST Chemistry WebBook.
Le stockage en azote liquide est passif. Tant qu'une quantité suffisante de liquide subsiste dans la cuve, son équilibre d'ébullition maintient un environnement cryogénique stable sans réfrigération mécanique.
La descente contrôlée ne s'achève que lorsque le patient est thermiquement prêt pour cet état stable. Le stockage n'est jamais utilisé comme substitut au refroidissement.
La conception et les compromis de l'étape suivante sont abordés dans l'article consacré aux dewars cryogéniques modernes et au stockage à température intermédiaire.
En résumé : Tomorrow.bio utilise un refroidissement piloté par ordinateur et des capteurs de température internes. Le processus refroidit rapidement à l'approche de la formation du verre, relâche les contraintes thermiques, puis descend lentement vers −196 °C.
Pour aller plus loin