Uno studio proof-of-concept dimostra l'uso degli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) per il riscaldamento controllato durante criopreservazione. L'HIFU consente un riscaldamento preciso e scalabile che potrebbe permettere di criopreservazione di tessuti e organi.
La crionica, la conservazione a bassa temperatura di tessuti e organi, offre la possibilità di una "animazione sospesa" e di conservazione un uso futuro a lungo termine. Sebbene l'idea sembri promettente, ci sono diverse sfide da affrontare per ottenere un successo criopreservazione, soprattutto per i grandi volumi. Un problema fondamentale è la ricristallizzazione, ovvero la crescita di cristalli di ghiaccio al momento del riscaldamento che possono danneggiare cellule e tessuti. Il riscaldamento controllato ad alta velocità è fondamentale per superare questo problema, ma è difficile da ottenere in modo uniforme in campioni di grandi dimensioni.
Un nuovo studio proof-of-concept ha dimostrato l'uso di onde di ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) per ottenere il rapido riscaldamento necessario a evitare la ricristallizzazione durante criopreservazione. L'HIFU utilizza onde acustiche per generare calore mirato in un punto focale. Lo studio, pubblicato su Scientific Reports, ha utilizzato l'HIFU per crioconservare e riscaldare con successo il verme nematode Caenorhabditis elegans.
L'HIFU presenta diversi vantaggi per criopreservazione. Non crea modelli di riscaldamento stazionari ed evita il runaway termico, consentendo un controllo preciso dei tassi di riscaldamento. Può essere utilizzato anche con crioprotettori convenzionali e monitorato in tempo reale mediante risonanza magnetica (MRI). È importante notare che l'HIFU è scalabile per volumi di campione più grandi utilizzando array di trasduttori. Queste proprietà rendono l'HIFU uno strumento promettente per ottenere il riscaldamento rapido e uniforme necessario per il successo di criopreservazione di tessuti e organi.
Per dimostrare la fattibilità dell'HIFU per il sito criopreservazione, i ricercatori hanno utilizzato C. elegans come sistema modello animale. Il C. elegans è un organismo modello ben studiato e utilizzato in molti laboratori, dotato di una serie completa di organi. Popolazioni di circa 200 vermi in tutti gli stadi di vita sono state criopreservato utilizzando un metodo standard di congelamento lento in glicerolo al 15% e raffreddate a -80°C per conservazione.
Dopo 48 ore, i vermi sono stati riscaldati con metodi HIFU o convenzionali (aria o bagno d'acqua). Il riscaldamento convenzionale ha portato solo al 35% di sopravvivenza per i primi stadi larvali e allo 0% per gli adulti, dimostrando la necessità di un riscaldamento più rapido.
È stata eseguita una serie di 53 esperimenti per ottimizzare i parametri HIFU, variando la velocità di riscaldo e il tempo di esposizione. La velocità di riscaldo è stata misurata da -60 a -40°C, dove è più probabile che si verifichi la ricristallizzazione. È emerso che le velocità di riscaldo più elevate, pari a 157,8°C/min e 217,8°C/min, hanno portato ai tassi di sopravvivenza più elevati se applicate per 60-70 secondi.
Un'esposizione insufficiente all'HIFU (meno di 50 secondi) non ha permesso di ottenere un riscaldamento sufficientemente rapido e non ha portato alla sopravvivenza. Anche un'esposizione eccessivamente lunga (oltre 70 secondi) ha ridotto la sopravvivenza, probabilmente a causa del surriscaldamento. Con i parametri ottimali di 217,8°C/min per 70 secondi, i tassi di sopravvivenza hanno raggiunto il 90% in tutti gli stadi vitali, rispetto al 35% per i primi stadi larvali e allo 0% per gli adulti con il riscaldamento convenzionale.
I ricercatori hanno anche simulato la configurazione sperimentale utilizzando la modellazione a elementi finiti per aiutare a determinare le dimensioni della regione focale e verificare i tassi di riscaldamento. La temperatura massima raggiunta è stata di 10°C tra i vari punti dei campioni, dimostrando la precisione ottenibile con l'HIFU.
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Un vantaggio fondamentale dell'HIFU è la sua scalabilità per volumi di campione più grandi. In questo studio i ricercatori hanno utilizzato un singolo trasduttore, ma l'aumento del numero di trasduttori in un array potrebbe consentire il riscaldamento mirato di tessuti e organi interi. Il riscaldamento HIFU potrebbe anche essere monitorato in tempo reale mediante risonanza magnetica (MRI), consentendo un controllo preciso del riscaldamento.
Il successo di criopreservazione e del recupero di C. elegans in tutti gli stadi di vita dimostra il potenziale del riscaldamento HIFU per consentire il biobanking a lungo termine di molti tipi di campioni. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, l'HIFU può contribuire a risolvere l'annosa questione della ricristallizzazione durante il riscaldamento e consentire l'criopreservazione di tessuti più grandi e di interi organi per la medicina rigenerativa. Grazie alla sua scalabilità, controllabilità e all'uso di routine in altre applicazioni, l'HIFU è un nuovo promettente strumento per far progredire il campo di crionica.
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