Переменное магнитное поле, воздействуя на наночастицы оксида железа внутри сосудистой сети замороженной (витрифицированной) почки крысы, способно быстро и равномерно разогреть ее, избегая кристаллизации.
Как сообщается в журнале Nature Communications, витрифицированные крысиные почки успешно восстанавливаются спустя 100 дней заморозки с помощью такого метода и выполняют функции после трансплантации, в том числе образование мочи. Это первая успешная трансплантация почки, размороженной таким способом.
Хотя ученые еще в середине прошлого века научились замораживать сперматозоиды с использованием глицерина для длительного хранения и успешно их размораживать (а потом это сделали с кровью и эмбрионами млекопитающих), в твердых тканях применение такой техники оказалось невозможным из-за кристаллизации воды во время замораживания. Для преодоления этого барьера ученые разработали технику витрификации — быстрой заморозки органов с использованием криозащитных агентов, которая придает им стеклообразное состояние. Такой подход позволяет избежать кристаллизации, что дополнительно позволило сохранять жидкие ткани, однако при разморозке крупных твердых органов все равно происходит кристаллизация из-за неспособности конвективного подогрева обеспечить быструю и равномерную скорость нагрева.
Чтобы преодолеть эту проблему, ученые под руководством Джона Бишопа (John Bischof) и Эрика Фингера (Erik Finger) из Университета Миннесоты разработали технологию подогрева переменным магнитным полем. Перед тем, как заморозить орган, в его сосудистую сеть помещают наночастицы оксида железа. При необходимости замороженный орган помещают в радиочастотную катушку, которая индуцирует переменное магнитное поле. Оно генерируют колебательный отклик в наночастицах, что приводит к равномерному нагреву всего органа. Предыдущие исследования на животных моделях показали, что, например, почки оказываются физически сохранны при использовании такой технологии, однако биологически восстанавливаются лишь частично.
Теперь ученые доработали технологию (оптимизировали количество криозащитных агентов, чтобы снизить их токсическое действие на орган), и исследовали физическое и биологическое восстановление витрифицированной почки крысы. В эксперименте после извлечения у донорской крысы почку промыли холодным консервирующим раствором Университета Висконсина и подключили к мультитермической перфузионной системе с регулируемым давлением и потоком. Через нее в сосудистую сеть внесли наночастицы оксида железа и криозащитные агенты, состоящие в основном из этиленгликоля, пропиленгликоля и формамида. Частицы оксида железа были покрыты диоксидом кремния и полиэтиленгликолем. После этого орган поместили в морозильную камеру, где его охлаждали до стеклообразного состояния при температуре −128 градусов Цельсия, а затем он хранился при температуре −150 градусов Цельсия от одного до ста дней.
Разморозку почек проводили с использованием радиочастотной катушки мощностью 15 киловатт при 63 килоамперах на метр и 180 килогерцах. В среднем за минуту нагрев почки достигал 72 градусов Цельсия. После разморозки из почки вымывали криозащитные растворы и наночастицы серебра.
Гистологический анализ показал, что после разморозки в тканях почек не произошло значимых изменений, ученые не обнаружили в них признаков образования льда. Чтобы оценить функцию почек, ученые использовали нормотермическую машинную перфузию органа бесклеточным кровезаменителем, способным переносить кислород (буфер Кребса—Хенселейта). При сравнении функции размороженных почек со свежим органом, органом после суток хранения в холодном растворе Висконсинского университета, органами, обработанным двумя криозащитными растворами, выяснилось, что они значимо не отличаются от всех контролей сравнения.
В качестве окончательного показателя функции органа ученые трансплантировали размороженную такм образом почку крысе, которой удалили обе почки, из-за чего выживание животного зависело исключительно от пересаженного органа. Ученые сравнивали исход трансплантации у крысы с размороженной почкой и со свежим донорским органом. Во время операции перфузия в экспериментальной почке восстановилась так же хорошо, как и в свежем донорском органе. Через 40-45 минут размороженная почка начала вырабатывать мочу, хотя донорский орган начал делать это уже через несколько минут.
Все животные (и экспериментальные, и контрольные) выжили в течение 30-дневного периода наблюдения после операции. На первый день после трансплантации у экспериментальных крыс повысился уровень креатинина (основного показателя функции почек), он достиг пика на второй-третий день после операции, после чего стал опускаться до референсных значений в течение двух-трех недель. Начиная с 14-го дня уровень креатинина у реципиентов с размороженной почкой статистически не отличался от такового у контрольных животных. Кроме того, в течение первых двух послеоперационных недель у крыс с экспериментальной почкой наблюдался дисбаланс электролитов, который разрешился через две недели.
Через 30 дней анализы крови и мочи показали статистически сходную и практически нормальную функцию почек в обеих группах. Скорость клубочковой фильтрации не отличалась между группами и находилось в пределах нормы. Гистологическое исследование трансплантированных почек из обеих групп показало очаги некроза канальцев и гиалиновые изменения без повреждения базальной мембраны и клубочков. Однако в капиллярах размороженных почек обнаружили незначительное количество желтовато-коричневого вещества, что говорит о неполном выходе наночастиц оксида железа.
Для сравнения ученые пересадили крысе почку, которая 60 часов хранилась в холодильнике в растворе Висконсинского университета. В ней практически не произошла реперфузия и не стала вырабатываться моча. Гистологическое исследование показало грубое нарушение структуры органа.
В этом исследовании ученые впервые показывают возможность длительного криоконсервирования органов (до 100 дней), которые затем можно разморозить. В дальнейшем этот метод будут проверять на других органах, а через некоторое время, возможно, протестируют и на человеческих органах.
Ученые постоянно ищут способы продлить жизнь донорским органам. Например, они придумали систему, которая «оживляет» органы прямо внутри тела спустя несколько часов после смерти.
Автор: Слава Гоменюк