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Comment la surfusion prolonge le temps de conservation des foies humains

Découvre comment les scientifiques tentent de protéger ton foie des menaces biologiques.

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La cryopréservation n'est pas encore une procédure courante. Des procédures similaires impliquant des températures froides sont cependant de plus en plus utilisées dans la médecine moderne. La transplantation d'organes est un domaine qui a su tirer parti des avantages du stockage à basse température. Toutefois, ces réalisations s'accompagnent de limites que la science doit encore surmonter. Comme dans le cas de la cryogénisation, le perfectionnement des méthodes de conservation semble être la solution à la plupart des problèmes actuels.

Dans cet article, nous faisons la lumière sur l'utilisation actuelle du froid en médecine à des fins de conservation.

Les problèmes liés à la transplantation d'organes

Les scientifiques sont confrontés à de multiples défis lorsqu'il s'agit de transplantation d'organes. La plupart sont liés au transport et au stockage, et pourraient être considérablement atténués si de meilleurs systèmes de conservation étaient inventés à l'avenir. Il se trouve que ton corps est parfait tel qu'il est, et que tes organes n'aiment pas être placés dans d'autres environnements.

Examinons les principaux problèmes de la transplantation d'organes aujourd'hui.

Pénurie d'organes

Les organes ne poussent pas sur les arbres(mais ils pourraient bientôt pousser dans les laboratoires). Pour l'instant, on ne les trouve que chez les autres êtres vivants. La plupart de nos organes étant vitaux pour la survie, cela signifie que l'on ne peut donner qu'un foie complet en cas de décès (bien que des dons partiels soient possibles pour les humains en bonne santé).

De nombreux pays ont tenté de lutter contre cette pénurie en modifiant leur réglementation en matière de don d'organes pour passer d'un système d'"opt-out" (France, Espagne, Italie, par exemple) à un système d'"opt-in" (Allemagne, Royaume-Uni, par exemple). Ainsi, si tu décèdes dans l'un de ces pays, disons la France, la loi stipule que tes organes peuvent être donnés aux hôpitaux, à moins que tu n'indiques explicitement que tu ne veux pas que cela se produise.

L'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) estime que 90 % des besoins mondiaux en matière de transplantation d'organes ne sont actuellement pas satisfaits. Si l'on tient compte de tous les décès dus à des maladies organiques en phase terminale, ce chiffre est encore plus élevé. L'Afrique en particulier, qui représente 16% de la population mondiale, ne réalise que 0,5% des transplantations d'organes en raison du faible accès aux organes de donneurs.

Un médecin prélève le sang d'un donneur de sang.
Les dons de sang s'accompagnent de beaucoup moins de complications et peuvent même être cryogénisés.

Méthode de stockage à court terme

Les organes vitaux sont prélevés sur des personnes récemment décédées, car ils doivent être encore fonctionnels au moment de la transplantation. La survie à long terme de l'organe n'est garantie qu'à l'intérieur d'un système vasculaire fonctionnel (et compatible), ce qui fait que les organes ont une courte durée de vie lorsqu'ils sont retirés du corps. Cette limitation dans le temps exige une méthode de stockage adaptée qui permette de conserver la fonctionnalité de l'organe. La pratique standard actuelle est la conservation par le froid statique (CFS). 

Les organes sont stockés dans une solution de conservation et refroidis à une température statique de 4°C, ce qui les place en état d'ischémie froide. Bien que cette méthode permette d'éviter les dysfonctionnements pendant une période beaucoup plus longue que d'habitude, le délai de transplantation reste assez limité. La durée maximale de conservation des foies est en moyenne de 12 à 16 heures, celle des reins de 24 à 36 heures et celle des cœurs de 4 à 6 heures seulement. Des intervalles de stockage plus courts réduisent le risque de complications futures dans le corps de ses nouveaux hôtes. 

L'impossibilité de conserver les organes plus longtemps réduit considérablement l'offre. Des températures plus basses et stables permettraient en théorie une meilleure conservation, mais elles entraîneraient des lésions ischémiques supplémentaires et la formation de cristaux de glace, ce que les médecins veulent éviter à tout prix.

Image médicale d'un corps avec le foie en rouge.
Le foie humain prend en charge de nombreuses tâches importantes telles que la décomposition et l'équilibre des nutriments ou la métabolisation des médicaments.

Comment les températures négatives aident à avoir une conservation réussie

Apprendre de la nature

Nous savons aujourd'hui que les températures négatives ne sont pas nécessairement liées à des lésions ischémiques. Pour le prouver, il suffit de regarder la nature. Les espèces qui ont une tolérance naturelle aux basses températures externes ont montré deux approches différentes de la vie en dessous de zéro : la tolérance au gel et la prévention du gel. 

La tolérance au gel est présente chez certaines grenouilles comme la grenouille des bois et chez des tortues comme la tortue boîte. Les mécanismes biochimiques de ces créatures comprennent la régulation de la formation de glace extracellulaire ainsi que la réduction du volume cellulaire. Cela leur permet de survivre dans un état de congélation pendant plusieurs jours, voire plusieurs semaines, en entrant en biostase.

"La prévention du gel", quant à lui, empêche la congélation de se produire complètement. De nombreux insectes sont capables de cet exploit en tirant parti de la dépression du point de congélation et de la surfusion. L'eau gèle généralement à 0°C en raison de la présence de particules de surface externes qui réorientent les molécules d'eau en cristaux. Une fois le noyau initial formé, une réaction se produit qui réunit les molécules d'eau individuelles en une forme solide que nous appelons "glace". Les animaux qui ne gèlent pas empêchent cette réaction de se produire en ajoutant des molécules spécialisées à leurs fluides corporels, qui modifient leur point de congélation en l'abaissant. Ces molécules permettent la surfusion, c'est-à-dire l'abaissement des liquides en dessous de leur point de congélation sans qu'ils deviennent solides, et les aident à survivre à des températures mortelles. Trouver un moyen de réutiliser la surfusion pour les greffes de foie pourrait permettre d'augmenter considérablement la durée de conservation sans endommager l'organe.

La prévention du gel est également utilisé en cryogénisation, via l'emploi d'agents cryoprotecteurs (ACP). Cette technique n'est pas liée à la "surfusion". Ces agents sont utilisés à des fins de vitrification, un état de conservation semblable à du verre qui se produit à environ -130°C (nous y reviendrons plus tard).

Une grenouille assise sur un petit morceau de bois
Le royaume animal a beaucoup à nous apprendre sur l'utilisation des températures froides

Environnements contrôlés

La recherche le suggère : "Dans la nature, la prévention du gel s'accompagne de certains risques, car la température ne peut pas descendre en dessous du point de congélation déprimé. Cependant, dans des contextes à température contrôlée, comme la préservation des organes, elle peut être très applicable."[1]

En éliminant les facteurs extérieurs indésirables, les scientifiques peuvent utiliser la surfusion et d'autres techniques de conservation à des températures inférieures à zéro avec une plus grande précision. Par conséquent, la qualité de ces conservations augmente.

La surfusion s'est avérée être la technique de refroidissement la plus efficace pour les foies humains. Dans des environnements contrôlés, la viabilité et la fonctionnalité étaient pratiquement inchangées avant et après la procédure, et les foies étaient capables de résister au stress thermique d'une transplantation simulée. [2]

De la surfusion à la vitrification

Les chercheurs s'accordent à dire que même une réduction mineure de la température peut améliorer considérablement la préservation du foie[3]. [3] L'utilisation de la surfusion est actuellement possible à des températures légèrement inférieures à 0°C. De plus, l'application de la surfusion aux organes humains est limitée. Ceci est dû à la formation stochastique de la glace en fonction du volume et à la probabilité plus élevée de formation de glace dans les organismes plus grands. La surfusion fonctionne extraordinairement bien pour les insectes en raison de leur petite taille. La difficulté de transposer ce processus à la taille d'organes humains tels que le foie empêche les scientifiques d'atteindre des températures plus basses sans franchir le point de congélation abaissé.

La vitrification, utilisée dans la cryopréservation, est la forme de conservation la plus prometteuse, en raison de l'arrêt complet de l'activité biologique et du faible risque de lésions dues à la congélation qu'elle favorise. Pourtant, la vitrification n'est pas utilisée aujourd'hui dans la transplantation d'organes parce qu'on n'a pas encore inventé la dévitrification, une technique de réchauffement efficace et non dommageable.

Néanmoins, la recherche de la méthode de conservation idéale se poursuit et les expériences publiées récemment[4] indiquent des progrès dans ce domaine. On peut lire dans un rapport sur la préservation des reins par vitrification : "[...] le groupe a été capable de dévitrifier, de restaurer la fonction rénale et de maintenir la vie comme seul rein après autotransplantation. Ce cas isolé reste le seul rapport de vitrification réussie de grands organes solides, (mais) est prometteur pour l'avenir de la vitrification sur l'optimisation de la solution de vitrification et des régimes de refroidissement-réchauffement."

Conclusion

La cryopréservation et la vitrification sont une science au potentiel énorme pour la transplantation d'organes et la prolongation de la vie par la cryopréservation. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires avant que la surfusion et, éventuellement, la vitrification puissent remplacer les méthodes actuelles de stockage standard des foies et autres organes, les premiers essais réussis sont prometteurs.

À Tomorrow Bio , nous nous efforçons d'accroître nos connaissances sur la prévention du gel par des agents cryoprotecteurs et sur la vitrification en menant nos propres recherches. La revitalisation des organes après vitrification est un aspect clé que la cryogénisation souhaite résoudre. Il s'agit d'une étape importante pour faire de la cryopréservation et de la réanimation une réalité.

Tu veux en savoir plus sur la cryopréservation ? N'hésite pas à prendre rendez-vous avec nous à tout moment ! Nous sommes heureux de te parler !

Liens et bibliographie:

[1,3,4] Bruinsma BG, Uygun K. Subzero organ preservation : the dawn of a new ice age ? Curr Opin Organ Transplant. 2017 Jun;22(3):281-286. doi : 10.1097/MOT.0000000000000403. PMID : 28266941 ; PMCID : PMC5520671.

[2] de Vries RJ, Tessier SN, Banik PD, Nagpal S, Cronin SEJ, Ozer S, Hafiz EOA, van Gulik TM, Yarmush ML, Markmann JF, Toner M, Yeh H, Uygun K. Supercooling extends preservation time of human livers. Nat Biotechnol. 2019 Oct;37(10):1131-1136. doi : 10.1038/s41587-019-0223-y. Epub 2019 Sep 9. PMID : 31501557 ; PMCID : PMC6776681.

Giwa, S., Lewis, J., Alvarez, L. et al. La promesse de la préservation des organes et des tissus pour transformer la médecine. Nat Biotechnol 35, 530-542 (2017). https://doi.org/10.1038/nbt.3889

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