Après la perfusion cryoprotectrice, un patient n’est pas simplement placé dans de l’azote liquide.
Le patient suit un programme de température contrôlé par ordinateur durant plusieurs jours. Des capteurs placés à l’intérieur du patient indiquent si les différentes régions anatomiques refroidissent de manière uniforme ou si des gradients thermiques dangereux apparaissent.
Le problème technique évolue au cours du refroidissement. Un refroidissement précoce doit limiter la formation de glace. À proximité et en dessous de la transition vitreuse, la précision et l’uniformité thermique deviennent plus importantes que la vitesse.
Pourquoi le refroidissement contrôlé est nécessaire
Les agents cryoprotecteurs réduisent la vitesse de refroidissement nécessaire pour éviter la formation de glace. Ils permettent aux tissus riches en eau d’atteindre un état visqueux, semblable au verre, plutôt que de cristalliser de manière extensive.
La température de transition vitreuse pertinente, notée Tg, dépend de la solution, de sa concentration et de la méthode de mesure. Il s’agit d’une plage, et non d’un seuil biologique universel.
Pour les solutions pertinentes en cryoconservation humaine, cette plage se situe généralement entre -120°C et -135°C.
Au-dessus de cette plage, un refroidissement trop lent peut permettre la nucléation et la croissance de glace. En dessous, le matériau se comporte de plus en plus comme un solide fragile.
Si la surface refroidit beaucoup plus rapidement que le centre, différentes régions se contractent de manière inégale. Les contraintes thermomécaniques qui en résultent peuvent provoquer des fissures.
Cela crée une trajectoire contrainte : refroidir suffisamment vite avant la vitrification, puis contrôler les gradients et la vitesse de refroidissement à mesure que le patient devient semblable au verre.
Voir la différence entre congélation et vitrification pour comprendre le comportement de phase sous-jacent.
La première génération de boîte de refroidissement
Le premier système de refroidissement de Tomorrow.bio, appelé la boîte de refroidissement V1, a établi l’architecture de base pour un refroidissement contrôlé du corps entier.
Le patient est placé dans une chambre isolée dédiée. Un ordinateur contrôle l’environnement cryogénique de la chambre tandis que des thermocouples mesurent les températures à plusieurs endroits.
Le contrôleur suit une courbe programmée plutôt que d’appliquer un refroidissement maximal en continu. Chaque canal de capteur est enregistré dans l’historique thermique du patient.
Cela diffère déjà fondamentalement d’une immersion directe. La machine peut ralentir, maintenir ou modifier les conditions de la chambre en fonction de l’état réel du patient.
Le système de deuxième génération à vase Dewar
Le deuxième design de Tomorrow.bio déplace le refroidissement contrôlé vers un récipient cryogénique spécialement conçu.
Le patient reste à l'intérieur du récipient cryogénique tandis qu'un couvercle spécialisé intègre le matériel de refroidissement, les commandes informatiques, les vannes, les connexions de capteurs et les passages pour thermocouples.
Les thermocouples sont positionnés à plusieurs endroits à l'intérieur du patient. Des capteurs supplémentaires surveillent l'environnement thermique à l'intérieur du récipient cryogénique.
Le système observe donc plus que la température de consigne demandée. Il observe la rapidité avec laquelle différentes zones mesurées du patient réagissent.
L'ordinateur ajuste le gradient de température du récipient cryogénique et la vitesse de descente pour maintenir ces relevés dans les limites autorisées par le protocole.
Un corps volumineux ne peut pas être parfaitement isotherme pendant le refroidissement. L'objectif pratique est de minimiser l'écart et d'éviter que toute zone mesurée ne dépasse ou ne reste en dessous de la température de manière dangereuse.
La géométrie du récipient cryogénique réduit également la manipulation entre le refroidissement contrôlé et le stockage cryogénique. La même forme fermée peut offrir un environnement stable et symétrique autour du patient.
La température de consigne n'est pas la température du patient
Un contrôleur peut rendre l'environnement rapidement froid. Il ne peut pas faire en sorte que le centre d'un corps humain corresponde instantanément à cette température.
La chaleur doit se déplacer des tissus profonds vers la surface. La géométrie, la composition corporelle, la distribution du cryoprotectant et la position des capteurs influencent tous le retard observé.
C'est pourquoi un seul capteur de chambre est insuffisant. Un environnement nominal de -130°C ne prouve pas que chaque partie mesurée du patient a atteint -130°C.
Le système de contrôle doit prendre en compte à la fois la température absolue et la différence entre les canaux. Le point le plus lent, le point le plus rapide et l'écart global fournissent chacun des informations.
L'étalonnage, le placement et la continuité des thermocouples sont également importants. Des relevés invraisemblables ou des défaillances de capteurs doivent être signalés plutôt que d'être silencieusement intégrés dans la courbe.
Le programme de température en trois étapes de Tomorrow.bio
Le protocole actuel comprend trois phases distinctes. Les valeurs sont des cibles opérationnelles pour cet équipement et cette approche de cryoprotection, et non des constantes universelles pour chaque système de vitrification.
1. Descente rapide vers -130°C
La première phase amène le patient de la température de la glace carbonique à environ -130°C aussi rapidement que l'écart de température mesuré le permet en toute sécurité.
La vitesse est cruciale ici, car des zones mal protégées peuvent encore former de la glace avant que le tissu ne devienne vitreux.
L'ordinateur ne suit pas uniquement le temps écoulé. Il surveille les thermocouples et ajuste l'environnement de refroidissement autour du patient.
2. Autoriser un rebond contrôlé vers -120°C
Une fois que la température atteint environ -130°C, le refroidissement actif est réduit et le patient est autorisé à se réchauffer naturellement jusqu’à environ -120°C.
Il s’agit d’une phase de recuit. Près de Tg, le matériau cryoprotecté conserve une mobilité moléculaire suffisante pour que certaines contraintes mécaniques accumulées puissent se relâcher.
Le rebond permet également aux régions plus chaudes et plus froides de se rapprocher avant que le matériau ne soit plongé dans son état vitreux rigide.
Le recuit ne répare pas les dommages biologiques préexistants. Son objectif est plus restreint : réduire les gradients thermiques et les contraintes créées par une contraction inégale.
Recuit de 3. Descendre à -196°C à environ 1°C par heure.
À partir d’environ -120°C, la descente cible est d’environ 1°C par heure jusqu’à ce que le patient atteigne la température de l’azote liquide.
Cet intervalle final de 76 degrés prend environ trois jours, même avant de tenir compte des pauses et des ajustements de contrôle.
Maintenir 1°C par heure dans un corps volumineux et thermiquement hétérogène constitue un problème de régulation, et non une simple question de temporisation.
Le contrôleur doit constamment ajuster l’environnement du dewar afin que les thermocouples internes descendent de manière synchronisée sans créer de gradients excessifs.
Lorsqu’une région accuse un retard, forcer l’environnement à une température plus basse peut surrefroidir une autre région. La précision implique d’équilibrer l’ensemble du champ de capteurs, et non de poursuivre une seule lecture.
Pourquoi la phase de recuit est scientifiquement plausible
Des recherches sur la vitrification à grande échelle identifient deux zones de défaillance concurrentes : un refroidissement insuffisant au-dessus de Tg et une contrainte mécanique excessive autour et en dessous de Tg.
Une 2024 étude de vitrification à l'échelle d'un organe humain a utilisé plusieurs sondes internes et a conclu que le recuit réduit les gradients avant que le matériau n'entre dans la phase vitreuse.
La même étude a révélé que le refroidissement lent en dessous de la région de recuit permet d'éviter la reconstruction de grands gradients et de contraintes.
Des recherches thermomécaniques distinctes ont montré que le recuit près de Tg modifie considérablement la contrainte résiduelle et atténue sa dépendance au taux de refroidissement précédent.
Ces études soutiennent la stratégie de contrôle sous-jacente. Elles ne valident pas indépendamment chaque point de consigne exact dans le protocole de corps entier de Tomorrow.bio.
Les corps humains entiers sont plus volumineux et plus hétérogènes que les solutions ou les organes de laboratoire. Des relevés de température directs et des images post-refroidissement restent nécessaires.
Ce que l'ordinateur enregistre
Le résultat utile n'est pas un message indiquant « refroidissement terminé ». Il s'agit de la série temporelle complète de chaque canal de température.
L'enregistrement doit montrer les vitesses, les paliers, les rebonds, les gradients entre capteurs, les actions du contrôleur, les alarmes et toute déviation par rapport à la courbe prévue.
Ces données deviennent partie intégrante de l'évaluation de la qualité de la cryoconservation.
Après le refroidissement, un scanner CT standardisé à la température de l'azote liquide permet de vérifier la distribution du cryoprotectant, la présence de glace, les déformations majeures et les fractures que les données de température seules ne peuvent révéler.
Pourquoi terminer à la température de l'azote liquide
À la pression atmosphérique normale, l'azote bout près de 77.34 kelvins, soit environ -195.8°C, selon le NIST Chemistry WebBook.
Le stockage dans l'azote liquide est passif. Tant qu'il reste suffisamment d'azote liquide dans le récipient, son équilibre d'ébullition maintient un environnement cryogénique stable sans réfrigération mécanique.
La descente contrôlée ne s'achève que lorsque le patient est thermiquement prêt pour cet état stable. Le stockage ne sert pas de substitut au refroidissement.
La conception et les compromis de l'étape suivante sont abordés dans les dewars cryogéniques modernes et le stockage à température intermédiaire.
En bref : Tomorrow.bio utilise un refroidissement contrôlé par ordinateur et des capteurs de température internes. Le processus refroidit rapidement près de la formation du verre, soulage les contraintes thermiques, puis descend lentement vers -196°C.
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