의사가 냉동실을 열고 생명을 구하는 수술에 사용할 신장, 간 또는 심장을 선택할 수 있다고 상상해보십시오. 다음은 이것이 달성하기 어려운 이유를 설명합니다.
새로운 신장, 대체 심장 또는 다른 중요한 기관이 필요한 경우에는 많은 옵션이 없습니다. 생명을 구할 수있는 이식을위한 건강한 인간 장기에 관해서는 공급과 수요 사이에 큰 틈이 있기 때문입니다.
미국에서는 2013 년에 26, 517 개의 장기가 이식되었지만 120, 000 명 이상의 환자가 대기자 명단에 올라 있습니다. 간단히 말해, 모든 사람을위한 기부금이 충분하지 않습니다.
더 나쁜 것은 간혹 기증자로부터 제거 된 저장 수명이 많지 않기 때문에 이용 가능한 장기가 낭비되는 경우가 있습니다.
현재 우리가 할 수있는 최선의 방법은 하루나 이틀 동안 섭씨 0도 이상의 특수 용액에 보관하는 것입니다.이 솔루션을 사용하면 완전히 호환되는 수령자가되어 환자를받을 수 있습니다.
그러나 가능한 대답이 있습니다. 과학자들이 장기를 얼리고 손상을 입히지 않고 다시 가져올 수 있다면 몇 주 또는 몇 달 동안 유지할 수 있습니다.
실험실에서 설계 한 장기를 만들 수 있다면 같은 방식으로 수행 할 수 있습니다. 이를 염두에두고 캘리포니아 NASA 리서치 파크에있는 Singularity University의 연구소에 소속 된 click Organ Preservation Alliance는 이와 관련하여 진전을 장려하는 사람들을 위해 백만장 자 상을 만들 계획입니다.
그렇다면 이식 외과 의사가 냉동실을 열고 생명을 구하는 수술을 수행하기 위해 신장, 간 또는 심장을 선택하는 시간을 엿볼 수 있습니까?
과학자들은 40 년 동안 소그룹의 인간 세포를 동결 보존하거나 성공적으로 동결 해 왔습니다.
그들은 세포를 파괴 할 수있는 얼음 결정의 형성을 막고 치명적인 수축으로부터 세포를 보호하는 소위 동결 방지제 화합물의 용액으로 세포에 난자를 보존하고 배아를 보존합니다.
불행히도, 가장 복잡한 장기와 조직의 구조가 얼음 결정과 관련된 손상에 훨씬 취약하기 때문에이 프로세스를 대규모로 구현하려고 할 때 큰 장애가 발생합니다.
그러나 소수의 연구자들은 자연의 단서에 따라 부분적으로 포기하지 않고 도전에 대비하고있다.
예를 들어, 남극 대륙의 얼음 어류는 부동액 단백질 (AFP) 덕분에 섭씨 -2 도의 매우 차가운 물에서 생존합니다. 얼음 결정이 퍼지는 것을 막습니다.
연구원들은 남극 얼음 어류 AFP를 함유 한 용액을 사용하여 영하의 몇도에서 최대 24 시간 동안 쥐의 심장을 보존했습니다.
그러나, 저온에서이 동물의 AFP에서 역효과가 발생한다 : 이들은 얼음 결정을 형성하여 세포막을 뚫는 날카로운 점을 생성하도록한다.
-60 ° C를 견딜 수있는 알래스카 딱정벌레에서 최근에 발견 된 또 다른 부동액 화합물이 더 유용 할 수 있습니다.
그러나 부동액 성분만으로는 효과가 없습니다. 동결은 또한 액체의 흐름과 흐름의 흐름에 영향을 미쳐 세포를 파괴하기 때문입니다.
세포 사이의 공간에 얼음이 형성되어 액체의 양을 줄이고 용해 된 염과 다른 이온의 농도를 증가시킵니다. 보상하기 위해 세포 밖으로 물이 흘러 나와 시들어 죽습니다.
난자와 배아에서 글리세롤과 같은 냉동 보호 화합물은 매우 유용합니다. 세포 내 얼음 형성을 막기 위해 물을 대체 할뿐만 아니라 세포 수축과 사망을 예방하는 데 도움이됩니다.
문제는 이러한 화합물이 장기에서 동일한 마술로 작동 할 수 없다는 것입니다. 한편으로, 조직 세포는 얼음 침투에 훨씬 더 민감하다.
그리고 세포가 보호 되더라도 세포 사이의 공간에 형성된 얼음 결정은 장기를 함께 유지하고 그 기능을 촉진하는 세포 외 구조를 파괴합니다.
착빙의 위험을 극복하는 한 가지 방법은 착빙을 방지하는 것입니다. 그렇기 때문에 일부 과학자들은 유리화 (virtrification)라는 기술에 전념하여 조직이 너무 차가워 져 얼음이없는 유리가됩니다.
이 방법은 이미 일부 생식 클리닉에서 사용되고 있으며 복잡한 조직의 보존과 관련하여 현재까지 가장 고무적인 결과를 가져 왔습니다.
예를 들어, 2000 년 사우스 캐롤라이나 찰스턴에있는 Cell and Tissue Systems의 Mike Taylor와 그의 동료들은 5cm 길이의 토끼 정맥을 세포와 기관 사이에있는 유리화했습니다. 복잡성과 가열 후에도 대부분의 기능을 유지하는 것으로 나타났습니다.
2 년 후, 캘리포니아에 위치한 냉동 보존 연구 회사 인 21 세기 의학의 Greg Fahy와 그의 동료들은 괄목할만한 유리 전이 온도 이하로 유지하면서 토끼의 신장을 유리화 시켰습니다. 섭씨 122도에서 10 분 동안 해동하고 48 일 동안 살았던 토끼에게 해동하여 이식하기 전에 도살하기 위해 그것을 조사했습니다.
Fahy는“이후에 생명 유지가 가능한 생명 기관이 냉동 보존되고 이식 된 것은 이번이 처음이다. "그것은 현실적인 제안 이었다는 증거였다."
그러나 특정 부분 인 수질이 동결 방지 용액을 흡수하는 데 더 오랜 시간이 걸렸기 때문에 신장은 건강한 버전뿐만 아니라 잘 작동하지 않았으며, 이는 해동 중에 얼음이 형성되었음을 의미합니다.
"우리는 큰 영혼을 지녔지 만 개선해야한다는 것을 알았습니다."라고 Fahy는 덧붙입니다.
테일러는 경고문을 추가하면서 "이것은 우리가 가장 근접한 것"이라고 말했다. "이것은 10 년 전에 이루어졌으며, 이 기술이 충분히 강력하다면, 발견되지 않은 사실을 입증하는 보고서와 후속 연구가 있었을 것입니다."
Fahy는 그의 방법의 핵심 부분 인 화학 물질 생산을 중단했기 때문에 진행 속도가 느렸다 고 말합니다. 그러나 그의 그룹은 다시 자리를 잡고 나아갔습니다. 2013 년 Cryobiology Society의 연례 회의에서 Fahy는 동결 방지제로 코드를 더 빨리 넣을 수있는 방법을 제시했습니다.
Fahy의 낙관론에도 불구하고, 큰 장기를 보존 할 때 유리화는 몇 가지 중대한 과제를 제기합니다. 우선, 세포와 세포를 보호해야하는 조직을 독살시킬 수있는 고농도의 cryoprotectants (기존의 서냉보다 5 배 이상)가 필요합니다.
화합물을 로딩하는 데 더 많은 시간이 필요하기 때문에 조직이 클수록 문제가 악화되며, 이는 냉각 시간이 느려지고 독성 노출이 발생할 기회가 더 많다는 것을 의미합니다. 또한 냉각이 너무 빠르거나 너무 낮은 온도에 도달하면 균열이 나타날 수 있습니다.
이 매우 섬세한 가열 공정은 더 많은 장애물을 제공합니다. 유리화 시험편이 신속하게 또는 상당히 균일하게 가열되지 않으면, 유리도는 결정화로 이어지고, 유리화로 알려진 공정은 다시 균열이 발생할 수있다.
"미네소타 대학교의 냉동 생물 학자이자 엔지니어 인 존 비 쇼프 (John Bischof)의 말이다." 온난화는 일반적으로 외부에서 내부로 이루어집니다.
작년에 Bischof와 대학원생 Michael Etheridge는이 문제를 해결할 수있는 방법을 제안했습니다 : 냉동 보호 용액에 자성 나노 입자를 첨가하십시오.
아이디어는 입자가 조직을 통해 분산되고 일단 자기장에 의해 자극되면 모든 것을 빠르고 고르게 가열한다는 것입니다. 듀오는 현재 테일러와 그의 동료들과 함께 토끼 동맥의 방법을 테스트하고있다.
대부분의 경우, 현장에서의 진보는 시행 착오에 의한 것입니다 : 용액의 조합과 동결 및 해동 방법의 시험.
그러나 연구원들은 새로운 기술을 이용하여 얼음이 세포와 조직에서 어떻게 작용하는지 더 자세히 조사하기 시작했습니다.
프로세스를 자세히 이해하면 혁신적이고 효과적인 방법으로 프로세스를 제어 할 수 있습니다.
지난 12 개월 동안이 분야에서 상당한 발전이있었습니다. 피츠버그에있는 Carnegie Mellon University의 기계 엔지니어 인 Yoed Rabin과 함께 일하는 Taylor는 대용량 직물의 고해상도 풀 컬러 열 화상 이미지를 시각화 할 수있는 새로운 장치를 발표했습니다.
한편 펜실베니아에있는 Villanova University의 Jens Karlsson은 최근 얼음이 두 개의 밀접하게 결합 된 세포 사이의 작은 주머니에 들어가서 결정화를 일으키는 순간부터 초슬림 모션 미세 비디오 시퀀스를 캡처했습니다.
이러한 방법의 관점은 냉동 과정을 조작하는 방법에 대한 새로운 아이디어를 가져올 수 있다고 Karlsson은 말합니다. 그는 냉동보다는 해동 과정을주의 깊게 제어하여 조직을 동결 보존하는 방법을 찾으려고합니다. 유리화의.
한 가지 가능성은 동결 보존에 저항 할 수있는 세포-세포 접합을 형성하도록 설득 될 수있는 세포를 유 전적으로 설계하는 것이다. 다음 과제는 세포 외 얼음의 형성을 지시하여 장기의 기능에 영향을 미치지 않도록하는 방법을 찾는 것입니다.
Karlsson은 또한 냉동 프로세스의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 수백만 개의 가능한 프로토콜을 효과적으로 테스트하려고합니다.
Karlson은 "진행을 가속화하기 위해서는 이러한 유형의 도구가 필요하다"고 말하면서 "그 노력에 전념하는 자금의 일부로 달에 도달하려고 시도하는 것과"
자원이 제한적 임에도 불구하고이 지역은 얼음이없는 냉동 보존이 혈관 세그먼트와 같은 작은 조직에 실용적임을 보여주었습니다. 테일러는“남아있는 중요한 장벽은 인간의 장기로 확장하는 것”이라고 말했다.
유리화 전에 "벽에 부딪 힐 수있는"노력이 인간의 장기에 작용한다고 의심하는 Karlsson의 경우, 냉동 방법 (또는 그가 얼음 기반 방법이라고 부르는 것)은 동일하거나 심지어 경로를 나타냅니다 성공에 대한 신뢰성이 높습니다.
그러나 진지하게 고려해야 할 마지막 개념이 있습니다. Taylor는“Cryopreservation 기술은 성분 세포의 100 % 생존율을 제공하지 않습니다.
"많은 응용 분야에서 이것은 견딜 수 있지만 단일 기관의 경우 보관 또는 이식 후 수리 할 상당한 정도의 부상을 의미 할 수 있습니다."
궁극적으로 이는 표본이 얼마나 잘 냉동 보존되어 있든 새로 구입 한 장기에 비해 품질이 떨어질 수 있음을 의미합니다.
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새로운 신장, 대체 심장 또는 다른 중요한 기관이 필요한 경우에는 많은 옵션이 없습니다. 생명을 구할 수있는 이식을위한 건강한 인간 장기에 관해서는 공급과 수요 사이에 큰 틈이 있기 때문입니다.
미국에서는 2013 년에 26, 517 개의 장기가 이식되었지만 120, 000 명 이상의 환자가 대기자 명단에 올라 있습니다. 간단히 말해, 모든 사람을위한 기부금이 충분하지 않습니다.
더 나쁜 것은 간혹 기증자로부터 제거 된 저장 수명이 많지 않기 때문에 이용 가능한 장기가 낭비되는 경우가 있습니다.
현재 우리가 할 수있는 최선의 방법은 하루나 이틀 동안 섭씨 0도 이상의 특수 용액에 보관하는 것입니다.이 솔루션을 사용하면 완전히 호환되는 수령자가되어 환자를받을 수 있습니다.
그러나 가능한 대답이 있습니다. 과학자들이 장기를 얼리고 손상을 입히지 않고 다시 가져올 수 있다면 몇 주 또는 몇 달 동안 유지할 수 있습니다.
실험실에서 설계 한 장기를 만들 수 있다면 같은 방식으로 수행 할 수 있습니다. 이를 염두에두고 캘리포니아 NASA 리서치 파크에있는 Singularity University의 연구소에 소속 된 click Organ Preservation Alliance는 이와 관련하여 진전을 장려하는 사람들을 위해 백만장 자 상을 만들 계획입니다.
냉동 보존이 가능합니까?
그렇다면 이식 외과 의사가 냉동실을 열고 생명을 구하는 수술을 수행하기 위해 신장, 간 또는 심장을 선택하는 시간을 엿볼 수 있습니까?
과학자들은 40 년 동안 소그룹의 인간 세포를 동결 보존하거나 성공적으로 동결 해 왔습니다.
그들은 세포를 파괴 할 수있는 얼음 결정의 형성을 막고 치명적인 수축으로부터 세포를 보호하는 소위 동결 방지제 화합물의 용액으로 세포에 난자를 보존하고 배아를 보존합니다.
불행히도, 가장 복잡한 장기와 조직의 구조가 얼음 결정과 관련된 손상에 훨씬 취약하기 때문에이 프로세스를 대규모로 구현하려고 할 때 큰 장애가 발생합니다.
그러나 소수의 연구자들은 자연의 단서에 따라 부분적으로 포기하지 않고 도전에 대비하고있다.
예를 들어, 남극 대륙의 얼음 어류는 부동액 단백질 (AFP) 덕분에 섭씨 -2 도의 매우 차가운 물에서 생존합니다. 얼음 결정이 퍼지는 것을 막습니다.
연구원들은 남극 얼음 어류 AFP를 함유 한 용액을 사용하여 영하의 몇도에서 최대 24 시간 동안 쥐의 심장을 보존했습니다.
그러나, 저온에서이 동물의 AFP에서 역효과가 발생한다 : 이들은 얼음 결정을 형성하여 세포막을 뚫는 날카로운 점을 생성하도록한다.
-60 ° C를 견딜 수있는 알래스카 딱정벌레에서 최근에 발견 된 또 다른 부동액 화합물이 더 유용 할 수 있습니다.
그러나 부동액 성분만으로는 효과가 없습니다. 동결은 또한 액체의 흐름과 흐름의 흐름에 영향을 미쳐 세포를 파괴하기 때문입니다.
세포 사이의 공간에 얼음이 형성되어 액체의 양을 줄이고 용해 된 염과 다른 이온의 농도를 증가시킵니다. 보상하기 위해 세포 밖으로 물이 흘러 나와 시들어 죽습니다.
난자와 배아에서 글리세롤과 같은 냉동 보호 화합물은 매우 유용합니다. 세포 내 얼음 형성을 막기 위해 물을 대체 할뿐만 아니라 세포 수축과 사망을 예방하는 데 도움이됩니다.
문제는 이러한 화합물이 장기에서 동일한 마술로 작동 할 수 없다는 것입니다. 한편으로, 조직 세포는 얼음 침투에 훨씬 더 민감하다.
그리고 세포가 보호 되더라도 세포 사이의 공간에 형성된 얼음 결정은 장기를 함께 유지하고 그 기능을 촉진하는 세포 외 구조를 파괴합니다.
유리화
착빙의 위험을 극복하는 한 가지 방법은 착빙을 방지하는 것입니다. 그렇기 때문에 일부 과학자들은 유리화 (virtrification)라는 기술에 전념하여 조직이 너무 차가워 져 얼음이없는 유리가됩니다.
이 방법은 이미 일부 생식 클리닉에서 사용되고 있으며 복잡한 조직의 보존과 관련하여 현재까지 가장 고무적인 결과를 가져 왔습니다.
예를 들어, 2000 년 사우스 캐롤라이나 찰스턴에있는 Cell and Tissue Systems의 Mike Taylor와 그의 동료들은 5cm 길이의 토끼 정맥을 세포와 기관 사이에있는 유리화했습니다. 복잡성과 가열 후에도 대부분의 기능을 유지하는 것으로 나타났습니다.
2 년 후, 캘리포니아에 위치한 냉동 보존 연구 회사 인 21 세기 의학의 Greg Fahy와 그의 동료들은 괄목할만한 유리 전이 온도 이하로 유지하면서 토끼의 신장을 유리화 시켰습니다. 섭씨 122도에서 10 분 동안 해동하고 48 일 동안 살았던 토끼에게 해동하여 이식하기 전에 도살하기 위해 그것을 조사했습니다.
Fahy는“이후에 생명 유지가 가능한 생명 기관이 냉동 보존되고 이식 된 것은 이번이 처음이다. "그것은 현실적인 제안 이었다는 증거였다."
그러나 특정 부분 인 수질이 동결 방지 용액을 흡수하는 데 더 오랜 시간이 걸렸기 때문에 신장은 건강한 버전뿐만 아니라 잘 작동하지 않았으며, 이는 해동 중에 얼음이 형성되었음을 의미합니다.
"우리는 큰 영혼을 지녔지 만 개선해야한다는 것을 알았습니다."라고 Fahy는 덧붙입니다.
테일러는 경고문을 추가하면서 "이것은 우리가 가장 근접한 것"이라고 말했다. "이것은 10 년 전에 이루어졌으며, 이 기술이 충분히 강력하다면, 발견되지 않은 사실을 입증하는 보고서와 후속 연구가 있었을 것입니다."
Fahy는 그의 방법의 핵심 부분 인 화학 물질 생산을 중단했기 때문에 진행 속도가 느렸다 고 말합니다. 그러나 그의 그룹은 다시 자리를 잡고 나아갔습니다. 2013 년 Cryobiology Society의 연례 회의에서 Fahy는 동결 방지제로 코드를 더 빨리 넣을 수있는 방법을 제시했습니다.
Fahy의 낙관론에도 불구하고, 큰 장기를 보존 할 때 유리화는 몇 가지 중대한 과제를 제기합니다. 우선, 세포와 세포를 보호해야하는 조직을 독살시킬 수있는 고농도의 cryoprotectants (기존의 서냉보다 5 배 이상)가 필요합니다.
화합물을 로딩하는 데 더 많은 시간이 필요하기 때문에 조직이 클수록 문제가 악화되며, 이는 냉각 시간이 느려지고 독성 노출이 발생할 기회가 더 많다는 것을 의미합니다. 또한 냉각이 너무 빠르거나 너무 낮은 온도에 도달하면 균열이 나타날 수 있습니다.
이 매우 섬세한 가열 공정은 더 많은 장애물을 제공합니다. 유리화 시험편이 신속하게 또는 상당히 균일하게 가열되지 않으면, 유리도는 결정화로 이어지고, 유리화로 알려진 공정은 다시 균열이 발생할 수있다.
"미네소타 대학교의 냉동 생물 학자이자 엔지니어 인 존 비 쇼프 (John Bischof)의 말이다." 온난화는 일반적으로 외부에서 내부로 이루어집니다.
작년에 Bischof와 대학원생 Michael Etheridge는이 문제를 해결할 수있는 방법을 제안했습니다 : 냉동 보호 용액에 자성 나노 입자를 첨가하십시오.
아이디어는 입자가 조직을 통해 분산되고 일단 자기장에 의해 자극되면 모든 것을 빠르고 고르게 가열한다는 것입니다. 듀오는 현재 테일러와 그의 동료들과 함께 토끼 동맥의 방법을 테스트하고있다.
행동에 얼음
대부분의 경우, 현장에서의 진보는 시행 착오에 의한 것입니다 : 용액의 조합과 동결 및 해동 방법의 시험.
그러나 연구원들은 새로운 기술을 이용하여 얼음이 세포와 조직에서 어떻게 작용하는지 더 자세히 조사하기 시작했습니다.
프로세스를 자세히 이해하면 혁신적이고 효과적인 방법으로 프로세스를 제어 할 수 있습니다.
지난 12 개월 동안이 분야에서 상당한 발전이있었습니다. 피츠버그에있는 Carnegie Mellon University의 기계 엔지니어 인 Yoed Rabin과 함께 일하는 Taylor는 대용량 직물의 고해상도 풀 컬러 열 화상 이미지를 시각화 할 수있는 새로운 장치를 발표했습니다.
한편 펜실베니아에있는 Villanova University의 Jens Karlsson은 최근 얼음이 두 개의 밀접하게 결합 된 세포 사이의 작은 주머니에 들어가서 결정화를 일으키는 순간부터 초슬림 모션 미세 비디오 시퀀스를 캡처했습니다.
이러한 방법의 관점은 냉동 과정을 조작하는 방법에 대한 새로운 아이디어를 가져올 수 있다고 Karlsson은 말합니다. 그는 냉동보다는 해동 과정을주의 깊게 제어하여 조직을 동결 보존하는 방법을 찾으려고합니다. 유리화의.
한 가지 가능성은 동결 보존에 저항 할 수있는 세포-세포 접합을 형성하도록 설득 될 수있는 세포를 유 전적으로 설계하는 것이다. 다음 과제는 세포 외 얼음의 형성을 지시하여 장기의 기능에 영향을 미치지 않도록하는 방법을 찾는 것입니다.
Karlsson은 또한 냉동 프로세스의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 수백만 개의 가능한 프로토콜을 효과적으로 테스트하려고합니다.
Karlson은 "진행을 가속화하기 위해서는 이러한 유형의 도구가 필요하다"고 말하면서 "그 노력에 전념하는 자금의 일부로 달에 도달하려고 시도하는 것과"
자원이 제한적 임에도 불구하고이 지역은 얼음이없는 냉동 보존이 혈관 세그먼트와 같은 작은 조직에 실용적임을 보여주었습니다. 테일러는“남아있는 중요한 장벽은 인간의 장기로 확장하는 것”이라고 말했다.
유리화 전에 "벽에 부딪 힐 수있는"노력이 인간의 장기에 작용한다고 의심하는 Karlsson의 경우, 냉동 방법 (또는 그가 얼음 기반 방법이라고 부르는 것)은 동일하거나 심지어 경로를 나타냅니다 성공에 대한 신뢰성이 높습니다.
그러나 진지하게 고려해야 할 마지막 개념이 있습니다. Taylor는“Cryopreservation 기술은 성분 세포의 100 % 생존율을 제공하지 않습니다.
"많은 응용 분야에서 이것은 견딜 수 있지만 단일 기관의 경우 보관 또는 이식 후 수리 할 상당한 정도의 부상을 의미 할 수 있습니다."
궁극적으로 이는 표본이 얼마나 잘 냉동 보존되어 있든 새로 구입 한 장기에 비해 품질이 떨어질 수 있음을 의미합니다.
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