Mardi 22 avril 2014.- Imaginez que les médecins puissent ouvrir des congélateurs et sélectionner des reins, des foies ou des cœurs à utiliser dans des opérations de sauvetage. Ce qui suit explique pourquoi cela est si difficile à réaliser.
Si vous avez besoin d'un nouveau rein, d'un cœur de remplacement ou d'un autre organe vital, vous n'avez pas beaucoup d'options. En effet, lorsqu'il s'agit d'organes humains sains pour des greffes qui peuvent sauver des vies, il y a un énorme fossé entre l'offre et la demande.
Aux États-Unis, 26 517 organes ont été transplantés en 2013, mais plus de 120 000 patients sont sur la liste d'attente. Autrement dit, il n'y a pas assez de dons pour tout le monde.
Pire encore, les organes disponibles sont parfois gaspillés car ils n'ont pas beaucoup de durée de vie une fois retirés du donneur.
Pour le moment, le mieux que nous puissions faire est de les maintenir dans une solution spéciale juste au-dessus de 0 degré Celsius pendant un ou deux jours, ce qui ne laisse pas beaucoup de temps pour trouver des patients qui sont des destinataires entièrement compatibles pour les recevoir.
Mais il y a une réponse possible. Si les scientifiques pouvaient trouver un moyen de geler les organes et de les ramener sans subir de dommages, nous pourrions les conserver pendant des semaines ou des mois.
La même chose pourrait être faite avec les organes conçus en laboratoire, si nous sommes capables de les créer. Dans cet esprit, le clic Organ Preservation Alliance, un organisme de bienfaisance attaché aux laboratoires de la Singularity University dans le NASA Research Park en Californie, prévoit de créer un prix millionnaire pour ceux qui encouragent les progrès à cet égard.
Alors, pourrions-nous entrevoir un moment où les chirurgiens de transplantation ouvriront des congélateurs et sélectionneront des reins, des foies ou des cœurs pour effectuer des opérations vitales?
Les scientifiques cryoconservent ou congèlent avec succès de petits groupes de cellules humaines depuis 40 ans.
Ils conservent les ovules et les embryons inondant les cellules avec des solutions des composés dits cryoprotecteurs, qui empêchent la formation de cristaux de glace qui peuvent détruire les cellules et les protègent également contre les contractions mortelles.
Malheureusement, ils rencontrent de grands obstacles lorsqu'ils tentent de mettre en œuvre ce processus à plus grande échelle, car l'architecture des organes et des tissus les plus complexes est beaucoup plus vulnérable aux dommages liés aux cristaux de glace.
Cependant, un petit groupe de chercheurs n'a pas abandonné et se prépare pour le défi, en partie, en suivant les indices de la nature.
Par exemple, les poissons de glace en Antarctique survivent dans des eaux très froides à -2 degrés Celsius grâce aux protéines antigel (AFP), qui réduisent le point de congélation de leurs fluides corporels et se lient à Cristaux de glace pour arrêter sa propagation.
Les chercheurs ont utilisé des solutions contenant des AFP de poisson des glaces de l'Antarctique pour conserver le cœur des rats pendant une période pouvant aller jusqu'à 24 heures à quelques degrés au-dessous de zéro.
Cependant, à une température inférieure, des effets contre-productifs se produisent dans les AFP de cet animal: ils forcent la formation de cristaux de glace pour produire des pointes acérées qui transpercent les membranes cellulaires.
Un autre composé antigel récemment découvert dans un coléoptère de l'Alaska qui peut tolérer -60 ° C pourrait être plus utile.
Mais les ingrédients antigel ne suffiront pas à eux seuls. En effet, la congélation détruit également les cellules en affectant le flux de fluides à l'intérieur et à l'extérieur de celles-ci.
La glace se forme dans les espaces entre les cellules, réduisant le volume de liquide et augmentant la concentration de sels dissous et d'autres ions. L'eau se précipite des cellules vers l'extérieur pour compenser, les faisant flétrir et mourir.
Dans les ovules et les embryons, les composés cryoprotecteurs tels que le glycérol sont très utiles: ils déplacent non seulement l'eau pour empêcher la formation de glace dans les cellules, mais aident également à prévenir la contraction et la mort des cellules.
Le problème est que ces composés ne peuvent pas fonctionner avec la même magie dans les organes. D'une part, les cellules tissulaires sont beaucoup plus sensibles à la pénétration de la glace.
Et même lorsque les cellules sont protégées, les cristaux de glace qui se forment dans les espaces entre elles détruisent les structures extracellulaires qui maintiennent l'organe ensemble et facilitent sa fonction.
Une façon de surmonter les dangers du givrage est de l'empêcher de se produire. C'est pourquoi certains scientifiques se sont engagés dans une technique appelée vitrification, par laquelle les tissus deviennent si froids qu'ils deviennent un verre sans glace.
La méthode est déjà utilisée par certaines cliniques de fertilité et a produit certains des résultats les plus encourageants à ce jour concernant la préservation des tissus complexes.
En 2000, par exemple, Mike Taylor et ses collègues de Cell and Tissue Systems à Charleston, en Caroline du Sud, ont vitrifié des segments de 5 cm de long d'une veine de lapin, qui est située entre les cellules et les organes en termes de complexité et ont montré qu'ils conservent l'essentiel de leur fonction après chauffage.
Deux ans plus tard, Greg Fahy et ses collègues de 21st-Century Medicine, une société de recherche en cryoconservation basée en Californie, ont fait une percée: ils ont vitrifié le rein d'un lapin, le maintenant en dessous de la température de transition vitreuse de - 122 degrés Celsius pendant 10 minutes, avant de le décongeler et de le transplanter chez un lapin qui a vécu 48 jours avant d'être abattu pour l'examiner.
«C'était la première fois qu'un organe vital avec maintien de la vie par la suite était cryoconservé et transplanté», explique Fahy. "C'était la preuve que c'était une proposition réaliste."
Mais le rein n'a pas fonctionné aussi bien qu'une version saine, principalement parce qu'une partie particulière, la médullaire, a mis plus de temps à absorber la solution cryoprotectrice, ce qui signifie que de la glace s'est formée sur elle pendant le dégivrage.
"Même si nous étions de bonne humeur, nous savions également que nous devions nous améliorer", ajoute Fahy.
"C'est ce que nous avons de plus proche", explique Taylor, ajoutant une mise en garde. "C'était il y a plus de 10 ans, et si la technique était suffisamment robuste, alors il aurait dû y avoir des rapports et des études de suivi attestant de la découverte, quelque chose qui n'existait pas."
Les progrès ont été lents, en partie, explique Fahy, car il a cessé de produire un produit chimique qui était un élément clé de sa méthode. Cependant, son groupe a regagné du terrain et s'est avancé: lors de la réunion annuelle de la Cryobiology Society en 2013, Fahy a présenté une méthode qui permet au cordon de se charger plus rapidement avec des cryoprotecteurs.
Malgré l'optimisme de Fahy, il est clair que lorsqu'il s'agit de conserver de gros organes, la vitrification pose de formidables défis. Pour commencer, des concentrations élevées de cryoprotecteurs (au moins cinq fois supérieures à celles d'un refroidissement lent conventionnel) qui peuvent empoisonner les cellules et les tissus qu'elles sont censées protéger sont nécessaires.
Le problème est exacerbé avec les tissus plus volumineux car plus de temps est nécessaire pour charger les composés, ce qui signifie des temps de refroidissement plus lents et plus de possibilités d'exposition toxique. De plus, si le refroidissement est trop rapide ou atteint des températures trop basses, des fissures peuvent apparaître.
Ce processus de chauffage extrêmement délicat présente plus d'obstacles. Si l'échantillon vitrifié ne chauffe pas rapidement ou assez uniformément, le caractère vitreux cède la place à la cristallisation, un processus connu sous le nom de dévitrification et, là encore, une fissuration peut se produire.
(C'est) un défi que nous n'avons pas encore surmonté ", explique John Bischof, cryobiologiste et ingénieur à l'Université du Minnesota." Le facteur limitant est la vitesse et l'uniformité avec lesquelles nous pouvons le décongeler. "Et c'est parce que le Le réchauffement se fait généralement de l'extérieur vers l'intérieur.
L'année dernière, Bischof et l'étudiant diplômé Michael Etheridge ont proposé un moyen de résoudre le problème: ajouter des nanoparticules magnétiques à la solution cryoprotectrice.
L'idée est que les particules se dispersent à travers les tissus et, une fois excitées par les champs magnétiques, chauffent tout rapidement et uniformément. Le duo travaille actuellement avec Taylor et ses collègues pour tester la méthode dans les artères des lapins.
Pour l'essentiel, les progrès dans le domaine sont venus par essais et erreurs: tester des combinaisons de solutions et de méthodes de congélation et de décongélation.
Mais les chercheurs ont également commencé à tirer parti des nouvelles technologies pour examiner de plus près le comportement de la glace dans les cellules et les tissus.
Si les processus sont compris en détail, on peut s'attendre à ce que des méthodes innovantes et plus efficaces puissent être conçues pour les contrôler.
Au cours des 12 derniers mois, des progrès importants ont été réalisés dans ce domaine. Taylor, qui travaille avec Yoed Rabin, ingénieur en mécanique à l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, a présenté un nouveau dispositif qui permet la visualisation d'images thermiques couleur haute résolution sur des tissus de grand volume.
Pendant ce temps, Jens Karlsson de l'Université Villanova en Pennsylvanie a récemment capturé des séquences vidéo microscopiques à ultra-ralenti à partir du moment où la glace pénètre dans de petites poches entre deux cellules étroitement liées et provoque ensuite une cristallisation à l'intérieur.
Les perspectives de ces méthodes pourraient apporter de nouvelles idées sur la façon de manipuler le processus de congélation, dit Karlsson, qui essaie de comprendre comment cryoconserver les tissus grâce à un contrôle minutieux du processus de congélation et de décongélation, plutôt qu'à travers de vitrification.
Une possibilité consiste à concevoir génétiquement des cellules qui peuvent être persuadées de former des jonctions cellule-cellule capables de résister à la cryoconservation. La tâche suivante serait de trouver un moyen de diriger la formation de glace extracellulaire afin qu'elle n'affecte pas la fonction d'un organe.
Karlsson est également disposé à utiliser des simulations informatiques du processus de congélation pour tester efficacement des millions de protocoles possibles.
"Nous avons besoin de ces types d'outils pour accélérer les progrès", explique Karlsson, qui compare la tâche à "essayer d'atteindre la lune avec une fraction des fonds consacrés à cet effort".
Même avec des ressources limitées, la région a montré que la cryoconservation sans glace est pratique pour les petits tissus, tels qu'un segment des vaisseaux sanguins. "La barrière qui reste et qui est importante", dit Taylor, "est de la mettre à l'échelle d'un organe humain."
Pour Karlsson, qui soupçonne que de tels efforts "pourraient se heurter à un mur" avant que la vitrification ne serve jamais les organes humains, les méthodes de congélation (ou ce qu'il appelle les méthodes à base de glace) représentent un chemin égal, voire un chemin Plus fiable vers le succès.
Mais il y a une dernière notion qui doit être prise au sérieux. «Aucune technique de cryoconservation n'offre une survie à 100% des cellules composantes», explique Taylor.
"Dans de nombreuses applications, cela peut être toléré, mais pour un seul organe, cela pourrait signifier un degré considérable de blessure à réparer après le stockage ou la transplantation."
En fin de compte, cela signifie que, quelle que soit la cryoconservation des échantillons, ils sont susceptibles d'être de qualité inférieure par rapport aux organes nouvellement acquis.
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Si vous avez besoin d'un nouveau rein, d'un cœur de remplacement ou d'un autre organe vital, vous n'avez pas beaucoup d'options. En effet, lorsqu'il s'agit d'organes humains sains pour des greffes qui peuvent sauver des vies, il y a un énorme fossé entre l'offre et la demande.
Aux États-Unis, 26 517 organes ont été transplantés en 2013, mais plus de 120 000 patients sont sur la liste d'attente. Autrement dit, il n'y a pas assez de dons pour tout le monde.
Pire encore, les organes disponibles sont parfois gaspillés car ils n'ont pas beaucoup de durée de vie une fois retirés du donneur.
Pour le moment, le mieux que nous puissions faire est de les maintenir dans une solution spéciale juste au-dessus de 0 degré Celsius pendant un ou deux jours, ce qui ne laisse pas beaucoup de temps pour trouver des patients qui sont des destinataires entièrement compatibles pour les recevoir.
Mais il y a une réponse possible. Si les scientifiques pouvaient trouver un moyen de geler les organes et de les ramener sans subir de dommages, nous pourrions les conserver pendant des semaines ou des mois.
La même chose pourrait être faite avec les organes conçus en laboratoire, si nous sommes capables de les créer. Dans cet esprit, le clic Organ Preservation Alliance, un organisme de bienfaisance attaché aux laboratoires de la Singularity University dans le NASA Research Park en Californie, prévoit de créer un prix millionnaire pour ceux qui encouragent les progrès à cet égard.
Est-il possible de cryoconserver?
Alors, pourrions-nous entrevoir un moment où les chirurgiens de transplantation ouvriront des congélateurs et sélectionneront des reins, des foies ou des cœurs pour effectuer des opérations vitales?
Les scientifiques cryoconservent ou congèlent avec succès de petits groupes de cellules humaines depuis 40 ans.
Ils conservent les ovules et les embryons inondant les cellules avec des solutions des composés dits cryoprotecteurs, qui empêchent la formation de cristaux de glace qui peuvent détruire les cellules et les protègent également contre les contractions mortelles.
Malheureusement, ils rencontrent de grands obstacles lorsqu'ils tentent de mettre en œuvre ce processus à plus grande échelle, car l'architecture des organes et des tissus les plus complexes est beaucoup plus vulnérable aux dommages liés aux cristaux de glace.
Cependant, un petit groupe de chercheurs n'a pas abandonné et se prépare pour le défi, en partie, en suivant les indices de la nature.
Par exemple, les poissons de glace en Antarctique survivent dans des eaux très froides à -2 degrés Celsius grâce aux protéines antigel (AFP), qui réduisent le point de congélation de leurs fluides corporels et se lient à Cristaux de glace pour arrêter sa propagation.
Les chercheurs ont utilisé des solutions contenant des AFP de poisson des glaces de l'Antarctique pour conserver le cœur des rats pendant une période pouvant aller jusqu'à 24 heures à quelques degrés au-dessous de zéro.
Cependant, à une température inférieure, des effets contre-productifs se produisent dans les AFP de cet animal: ils forcent la formation de cristaux de glace pour produire des pointes acérées qui transpercent les membranes cellulaires.
Un autre composé antigel récemment découvert dans un coléoptère de l'Alaska qui peut tolérer -60 ° C pourrait être plus utile.
Mais les ingrédients antigel ne suffiront pas à eux seuls. En effet, la congélation détruit également les cellules en affectant le flux de fluides à l'intérieur et à l'extérieur de celles-ci.
La glace se forme dans les espaces entre les cellules, réduisant le volume de liquide et augmentant la concentration de sels dissous et d'autres ions. L'eau se précipite des cellules vers l'extérieur pour compenser, les faisant flétrir et mourir.
Dans les ovules et les embryons, les composés cryoprotecteurs tels que le glycérol sont très utiles: ils déplacent non seulement l'eau pour empêcher la formation de glace dans les cellules, mais aident également à prévenir la contraction et la mort des cellules.
Le problème est que ces composés ne peuvent pas fonctionner avec la même magie dans les organes. D'une part, les cellules tissulaires sont beaucoup plus sensibles à la pénétration de la glace.
Et même lorsque les cellules sont protégées, les cristaux de glace qui se forment dans les espaces entre elles détruisent les structures extracellulaires qui maintiennent l'organe ensemble et facilitent sa fonction.
Vitrification
Une façon de surmonter les dangers du givrage est de l'empêcher de se produire. C'est pourquoi certains scientifiques se sont engagés dans une technique appelée vitrification, par laquelle les tissus deviennent si froids qu'ils deviennent un verre sans glace.
La méthode est déjà utilisée par certaines cliniques de fertilité et a produit certains des résultats les plus encourageants à ce jour concernant la préservation des tissus complexes.
En 2000, par exemple, Mike Taylor et ses collègues de Cell and Tissue Systems à Charleston, en Caroline du Sud, ont vitrifié des segments de 5 cm de long d'une veine de lapin, qui est située entre les cellules et les organes en termes de complexité et ont montré qu'ils conservent l'essentiel de leur fonction après chauffage.
Deux ans plus tard, Greg Fahy et ses collègues de 21st-Century Medicine, une société de recherche en cryoconservation basée en Californie, ont fait une percée: ils ont vitrifié le rein d'un lapin, le maintenant en dessous de la température de transition vitreuse de - 122 degrés Celsius pendant 10 minutes, avant de le décongeler et de le transplanter chez un lapin qui a vécu 48 jours avant d'être abattu pour l'examiner.
«C'était la première fois qu'un organe vital avec maintien de la vie par la suite était cryoconservé et transplanté», explique Fahy. "C'était la preuve que c'était une proposition réaliste."
Mais le rein n'a pas fonctionné aussi bien qu'une version saine, principalement parce qu'une partie particulière, la médullaire, a mis plus de temps à absorber la solution cryoprotectrice, ce qui signifie que de la glace s'est formée sur elle pendant le dégivrage.
"Même si nous étions de bonne humeur, nous savions également que nous devions nous améliorer", ajoute Fahy.
"C'est ce que nous avons de plus proche", explique Taylor, ajoutant une mise en garde. "C'était il y a plus de 10 ans, et si la technique était suffisamment robuste, alors il aurait dû y avoir des rapports et des études de suivi attestant de la découverte, quelque chose qui n'existait pas."
Les progrès ont été lents, en partie, explique Fahy, car il a cessé de produire un produit chimique qui était un élément clé de sa méthode. Cependant, son groupe a regagné du terrain et s'est avancé: lors de la réunion annuelle de la Cryobiology Society en 2013, Fahy a présenté une méthode qui permet au cordon de se charger plus rapidement avec des cryoprotecteurs.
Malgré l'optimisme de Fahy, il est clair que lorsqu'il s'agit de conserver de gros organes, la vitrification pose de formidables défis. Pour commencer, des concentrations élevées de cryoprotecteurs (au moins cinq fois supérieures à celles d'un refroidissement lent conventionnel) qui peuvent empoisonner les cellules et les tissus qu'elles sont censées protéger sont nécessaires.
Le problème est exacerbé avec les tissus plus volumineux car plus de temps est nécessaire pour charger les composés, ce qui signifie des temps de refroidissement plus lents et plus de possibilités d'exposition toxique. De plus, si le refroidissement est trop rapide ou atteint des températures trop basses, des fissures peuvent apparaître.
Ce processus de chauffage extrêmement délicat présente plus d'obstacles. Si l'échantillon vitrifié ne chauffe pas rapidement ou assez uniformément, le caractère vitreux cède la place à la cristallisation, un processus connu sous le nom de dévitrification et, là encore, une fissuration peut se produire.
(C'est) un défi que nous n'avons pas encore surmonté ", explique John Bischof, cryobiologiste et ingénieur à l'Université du Minnesota." Le facteur limitant est la vitesse et l'uniformité avec lesquelles nous pouvons le décongeler. "Et c'est parce que le Le réchauffement se fait généralement de l'extérieur vers l'intérieur.
L'année dernière, Bischof et l'étudiant diplômé Michael Etheridge ont proposé un moyen de résoudre le problème: ajouter des nanoparticules magnétiques à la solution cryoprotectrice.
L'idée est que les particules se dispersent à travers les tissus et, une fois excitées par les champs magnétiques, chauffent tout rapidement et uniformément. Le duo travaille actuellement avec Taylor et ses collègues pour tester la méthode dans les artères des lapins.
La glace en action
Pour l'essentiel, les progrès dans le domaine sont venus par essais et erreurs: tester des combinaisons de solutions et de méthodes de congélation et de décongélation.
Mais les chercheurs ont également commencé à tirer parti des nouvelles technologies pour examiner de plus près le comportement de la glace dans les cellules et les tissus.
Si les processus sont compris en détail, on peut s'attendre à ce que des méthodes innovantes et plus efficaces puissent être conçues pour les contrôler.
Au cours des 12 derniers mois, des progrès importants ont été réalisés dans ce domaine. Taylor, qui travaille avec Yoed Rabin, ingénieur en mécanique à l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, a présenté un nouveau dispositif qui permet la visualisation d'images thermiques couleur haute résolution sur des tissus de grand volume.
Pendant ce temps, Jens Karlsson de l'Université Villanova en Pennsylvanie a récemment capturé des séquences vidéo microscopiques à ultra-ralenti à partir du moment où la glace pénètre dans de petites poches entre deux cellules étroitement liées et provoque ensuite une cristallisation à l'intérieur.
Les perspectives de ces méthodes pourraient apporter de nouvelles idées sur la façon de manipuler le processus de congélation, dit Karlsson, qui essaie de comprendre comment cryoconserver les tissus grâce à un contrôle minutieux du processus de congélation et de décongélation, plutôt qu'à travers de vitrification.
Une possibilité consiste à concevoir génétiquement des cellules qui peuvent être persuadées de former des jonctions cellule-cellule capables de résister à la cryoconservation. La tâche suivante serait de trouver un moyen de diriger la formation de glace extracellulaire afin qu'elle n'affecte pas la fonction d'un organe.
Karlsson est également disposé à utiliser des simulations informatiques du processus de congélation pour tester efficacement des millions de protocoles possibles.
"Nous avons besoin de ces types d'outils pour accélérer les progrès", explique Karlsson, qui compare la tâche à "essayer d'atteindre la lune avec une fraction des fonds consacrés à cet effort".
Même avec des ressources limitées, la région a montré que la cryoconservation sans glace est pratique pour les petits tissus, tels qu'un segment des vaisseaux sanguins. "La barrière qui reste et qui est importante", dit Taylor, "est de la mettre à l'échelle d'un organe humain."
Pour Karlsson, qui soupçonne que de tels efforts "pourraient se heurter à un mur" avant que la vitrification ne serve jamais les organes humains, les méthodes de congélation (ou ce qu'il appelle les méthodes à base de glace) représentent un chemin égal, voire un chemin Plus fiable vers le succès.
Mais il y a une dernière notion qui doit être prise au sérieux. «Aucune technique de cryoconservation n'offre une survie à 100% des cellules composantes», explique Taylor.
"Dans de nombreuses applications, cela peut être toléré, mais pour un seul organe, cela pourrait signifier un degré considérable de blessure à réparer après le stockage ou la transplantation."
En fin de compte, cela signifie que, quelle que soit la cryoconservation des échantillons, ils sont susceptibles d'être de qualité inférieure par rapport aux organes nouvellement acquis.
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