DE3308688A1 - Method for the rapid supercooling of organs and tissues - Google Patents

Method for the rapid supercooling of organs and tissues

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Abstract

The method for the rapid supercooling of organs and tissues permits uniform supercooling over the entire cross-section of bodies with hollow cavities allowing flow through them, this being not achievable with any of the conventional cooling methods. Suitable bodies of this type are, in particular, organs with their vascular network. These not only contain channels allowing flow through them but they are also of such a nature that every part of the organ is uniformly flushed. In biological tissue without vessels helium gas is capable, due to its small atomic dimensions, to flow through this tissue up to certain thicknesses. The better dissipation of heat as a result of compression of the helium gas can be implemented in a method in practice, because pressure acting upon all sides does not cause any irreversible damage to biological tissues.

Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Unterkühlung von biologischem Gewebe und Organen.The invention relates to a method for rapid subcooling of biological tissue and organs.

Eine schnelle Unterkühlung oder ein schneller Gefrierprozeß von biologischem Gewebe und Organen ist für die Erforschung von Gefriermethoden zum Lagern vor Organen für die Organtransplantation von größter Bedeutung. Berüber hinaus ermöglicht ein solches Verfahren das Studium schnell ablaufender Stoffwechselvorgänge in gesamten Organen oder einzelnen Zellen.A rapid hypothermia or rapid freezing process of biological Tissues and Organs is for research into freezing methods for storing in front of organs of utmost importance for organ transplantation. Beyond that allows one Such a procedure involves the study of rapid metabolic processes throughout Organs or individual cells.

Nebenbei dient es zugleich als Präparationstechnik für rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen.It also serves as a preparation technique for scanning electron microscopy Investigations.

Es ist wichtig, daß das Unterkühlen und Gefrieren von lebender biologischer Substanz extrem schnell erfolgt, damit das Wasser aus der physiologischen Lösung der intra- und extrazellulären Lösungsbestandteile nicht ausgefriert und die Restlösung keine Zunahme der Konzentration erfährt (Dehydratation). Eine Veränderung der Lösungskonzentration würde zu einer osmotischen Druckdifferenz und zu Zerstörungen und Denaturierung der Zellen führen. Auch spielt die Bildung von zellzerstörenden Auskristallisierungen eine Rolle, die bei langsamer Einfriergeschwindigkeit zu großen Xristallstrukturen mit nadelförmigen Auswüchsen führt, die das Zellgewebe zerstören.It is important that the subcooling and freezing of living biological Substance takes place extremely quickly, thus the water from the physiological solution the intra- and extracellular components of the solution are not frozen out and the remaining solution does not experience an increase in concentration (dehydration). A change in the concentration of the solution would lead to an osmotic pressure difference and to destruction and denaturation of cells lead. The formation of cell-destroying crystallizations also plays a role a role that leads to large crystal structures when the freezing rate is slow with needle-shaped growths that destroy the cell tissue.

Die herkömmlichen Methoden, ein Organ oder ein biologisches Gewebe mittels seines vaskulären Netzes zu unterkühlen, wird durch ein Durchströmen mit einer unterkühlten Perfusionslösung bewirkt.. Die Abkühlung sowie die Abkühlgeschwindigkeit ist jedoch einerseits durch den Gefrierpunkt der Lösung und andererseits durch die steigende Viskosität bei abnehmenden Temperaturen begrenzt.The traditional methods, an organ or a biological tissue supercooling by means of its vascular network is achieved by a perfusion with a supercooled perfusion solution causes .. The cooling as well as the cooling rate is, however, on the one hand by the freezing point of the solution and on the other hand by the increasing viscosity is limited with decreasing temperatures.

Mit dieser Methode der sogenannten "Kühlperfusion" kann das biologische Gewebe oder ein Organ nicht bis zum Gefrierpunkt abgekühlt werden.With this method of so-called "cooling perfusion" the biological Tissue or organ cannot be cooled to freezing point.

Die klassische Methode einem Körper seine Wärme und Schmelzwärme durch die Oberfläche zu entziehen, ist nur bei kleinsten biologischen Substanzen wie Spermatozoen, Zellen, hautteilen usw. so schnell möglich, daß die oben beschriebenen Effekte nicht auftreten. Bei räumlich größeren Gewebeteilen oder Organen wird die Abkühl- und Einfriergeschwindigkeit bei dem Wärmeentzug durch die Oberfläche mit zunehmender Größe geringer und erfüllt schon bei Abmessungen bis zu 1 mm nicht mehr die obigen Anforderungen.The classic method through a body its warmth and heat of fusion removing the surface is only possible in the case of the smallest biological substances such as spermatozoa, Cells, skin parts, etc. as quickly as possible that the effects described above do not occur appear. In the case of spatially larger parts of tissue or organs, the cooling and The rate of freezing during the removal of heat through the surface increases with the Size smaller and no longer fulfills the above with dimensions of up to 1 mm Requirements.

Bei dem zugrunde liegenden Verfahren wird anstelle der Perfusionslösung ein unterkühltes komprimiertes Gas (Helium) verwendet. Durch die Verwendung eines Gases entfallen die Probleme durch den zu hohen Gefrierpunkt der Perfusionslösung und deren steigendeViskosität bei sinkenden Temperaturen. Damit die Wärmetransporteigenschaften des persufflierten Gases verbessert werden, wird dieses komprimiert.In the underlying procedure, instead of the perfusion solution a supercooled compressed gas (helium) is used. By using a Gas eliminates the problems caused by the excessively high freezing point of the perfusion solution and their increasing viscosity with decreasing temperatures. So that the heat transport properties of the persufflated gas are improved, it is compressed.

alters und neuere Forschungsergebnisse haben gezeigt, daß biologisches Gewebe bei Drucken bis zu 700 bar überlebt.Old and recent research has shown that biological Tissue survives at pressures up to 700 bar.

[1; 2; 3] Damit sich der Kompressiondruck nicht auf die feinen Gefäßwände auswirkt, spielt sich das Verfahren in einem Autoklaven, in dem das biologische Objekt von allen Seiten von diesem Druck umgeben wird, ab. Der Durchströmungsdruck in den Gefäßen wird unabhängig vom Umfelddruck innerhalb des Autoklaven durch kleinen Turbokompressor erzeugt. Da Gas keine Transporteigenschaften für Nährstoffe hat, geht dem hier beschriebenen Verfahren eine Kühlperfusion mit einer Nährlösung voraus. Bei dieser Vorkühlung wird das Organ auf etwa 4 bis 7° C abgekühlt, so daß der Stoffwechsel hierbei auf einige Prozent gedrosselt ist. Die Persufflation mit unterkühltem Gas folgt jetzt unmittelbar.[1; 2; 3] So that the compression pressure does not affect the fine vessel walls affects, the process takes place in an autoclave in which the biological The object is surrounded on all sides by this pressure. The flow pressure in the vessels is independent of the ambient pressure inside the autoclave by small Turbo compressor generated. Since gas has no transport properties for nutrients, the method described here is preceded by a cooling perfusion with a nutrient solution. During this pre-cooling, the organ is cooled to about 4 to 7 ° C, so that the metabolism here is throttled to a few percent. Persufflation with supercooled gas follows now immediately.

Im einzelnen spielt sich ein UnL-rkühlungsprozeß wie folgt ab: Aus dem Vorratsbehälter 14, Fig 1, 2 für Perfusionslösung wird diese durch das hydrostatische Druckgefälle über das Funktionsventil 10 durch den Vorkühler 9 über das innere Funktionsventil 8 in die Gefäße eingeleitet.In detail, an un-cooling process takes place as follows: Off the reservoir 14, Fig 1, 2 for perfusion solution, this is through the hydrostatic Pressure drop across the function valve 10 through the precooler 9 via the inner function valve 8 introduced into the vessels.

Bei der Niere wird über die Arterie renalis das gesamte vaskuläre Netzwerk durchströmt. Die Perfusionslösung tritt dann aus der Vena renalis aus und wird durch das an der tiefsten Stelle des Autoklaven liegende Abflußventil 15 aus diesem entfernt. Das Widerstandselement 17 ist hierbei verschlossen. Beim Herzen wird hierzu analog die Lösung in die Vena cava superior und die 22 pwlmonq/es eingeleitet und tritt aus der Arteria pulmonalBs und der Aorta aus. Das Widerstandselement 5 gleicht die Druckverteilung aus, die aus den verschiedenen Innenwiderständen der linken und rechten Herzhälfte entstehen. Die Widerstände 6 und 7 dienen zum Aufbau eines Druckes, der alle Hohlräume insbesondere die Ventrikel in ihrer anatomisch richtigen Form hält. Nach Erreichen der Vorkühltemperatur werden die Funktionsventile 8 und 10 so geschaltet, daß das Gas aus dem Hochdruckbehälter 12 über das Reduzierventil 13 über den Druckregler 11 durch den Temperaturregler 9 in den Autoklaven einströmen kann und dort zu den Gefäßanschlüssen gelangt. Gleichzeitig wird der sich im Autoklaven befindliche Kühler 2 eingeschaltet. Nach diesem Trockenspülvorgang wird das Ventil 15 geschlossen, so daß sich jetzt der Innendruck von 500 bis 700 bar im Autoklaven aufbaut. Das Funktionsventil 8 trennt jetzt die Verbindung zur äußeren Gasleitung von den Organen ab und schaltet die Eintrittsleitung für das Organ direkt an den Turbokompressor 3.In the case of the kidney, the entire vascular artery is passed through the renal artery Flows through the network. The perfusion solution then emerges from the renal vein and is removed through the drain valve 15 located at the lowest point of the autoclave this removed. The resistance element 17 is closed here. By the heart analogously, the solution is introduced into the superior vena cava and the 22 pwlmonq / es and emerges from the pulmonary artery and aorta. The resistance element 5 equalizes the pressure distribution resulting from the various internal resistances of the left and right halves of the heart arise. The resistors 6 and 7 are used for construction a pressure affecting all cavities especially the ventricles in their anatomical holds correct shape. After reaching the pre-cooling temperature, the function valves 8 and 10 switched so that the gas from the high pressure container 12 through the reducing valve 13 flow into the autoclave via the pressure regulator 11 through the temperature regulator 9 can and reaches the vessel connections there. At the same time it is in the autoclave located cooler 2 switched on. After this dry rinsing process, the valve 15 closed, so that the internal pressure is now from 500 to 700 bar in the autoclave builds up. The function valve 8 now separates the connection to the external gas line from the organs and switches the inlet line for the organ directly to the Turbo compressor 3.

Dieser treibt das jetzt durch den Kühler 2 tiefgekühlte Gas durch das vaskuläre Netzwerk mit einem geringen Druck, der durch die Belastbarkeit der Gefäßwände gegeben ist.This drives the gas that is now deep-frozen through the cooler 2 the vascular network with a low pressure caused by the resilience of the Vessel walls is given.

Um die optimale Unterkühlungsgeschwindigkeit zu erreichen, werden bei den Organen alle inneren und äußeren Flächen mit unterkühltem Gas beaufschlagt.In order to achieve the optimal rate of subcooling, be all inner and outer surfaces of the organs are exposed to supercooled gas.

Bei der Niere wird deshalb ein Druckgefälle d Pl im vaskulären Netzwerk,ein Druckgefälle im t P2 im Nephron und ein DruckgefälleZ P3 vom Nierenbecken zum Außenraum mit den Widerstandselementen (16; 17. u..18) erzeugt.In the case of the kidney, there is therefore a pressure gradient d Pl in the vascular network, a Pressure drop in t P2 in the nephron and a pressure drop Z P3 from the renal pelvis to the outside area generated with the resistance elements (16; 17. u..18).

Durch den Bypass 19 wird über das Widerstandselement 17 das Nierenbecken zusätzlich beaufschlagt und zwar so, daß das Druckgefällefl P1 =dP2 +J P3 bleibt.The renal pelvis is through the bypass 19 via the resistance element 17 additionally acted upon in such a way that the pressure gradient remains P1 = dP2 + J P3.

Die äußere Oberfläche der Niere wird durch Konvektion durch den an die Form der Niere angepaßten Kühler 2 gekühlt.The outer surface of the kidney is made by convection through the an the shape of the kidney-adapted cooler 2 is cooled.

Beim Herzen ist der Vorgang analog. Das Druckgefälle zur Erhaltung der natürlichen anatomischen Form wird durch die Widerstandselemente 6 und 7 erzeugt, während das Widerstandselement 4 die verschiedenen Strömungswiderstände der linken und rechten Herzkammer ausgleicht.The process is analogous with the heart. The pressure gradient to maintain the natural anatomical shape is created by the resistance elements 6 and 7, while the resistance element 4, the various flow resistances of the left and right ventricle.

In Fig. 3 ist eine Variante dieses Verfahrens dargestellt und wird für den Fall angewendet, bei dem das biologische Gewebe keine für eine Persufflation geeigneten Gefäße besitzt.In Fig. 3 a variant of this method is shown and is Applied in the case where the biological tissue is not suitable for persufflation suitable vessels.

Hier wird das dünne, flächige Gewebeelement an seinen Oberflächen sowie durch eine Direktdurchflutung gekühlt. Wegen der feinen atomaren Struktur des Heliumgases ist dieses in der Lage, das biologische Gewebe bis zu einigen mm Dicke direkt zu durchströmen und auch subzelluläre Bereiche zu durchdringen.This is where the thin, flat fabric element is attached to its surfaces as well as cooled by direct flow. Because of the fine atomic structure of the helium gas, this is able to remove the biological tissue up to a few mm Thickness to flow through directly and also to penetrate subcellular areas.

Claims (5)

VERFAHREN ZUR SCHNELLEN UNTERKUHLUNG VON ORGANEN UND GEWEBEN Patentansprüche 1. Verfahren zur schneller Unterkühlung von Organen und Geweben dadurch gekennzeichnet, daß ein unterkühltes und komprimiertes Gas sich in einem Autoklaven (1) befindet und in diesem ein biologisches Gewebe oder Organ umgibt. Das vaskuläre Netzwerk dieses Organs wird durch das sich in diesem Umfeld befindliche Gas von einem von dem Umfelddruck unabhängigen geringeren Druck (O - 1000 mm Hg) durchströmt. Der Durchströmungsdruck wird durch ein Gebläse (3) innerhalb des Autoklaven erzeugt (Fig. 1, 2).METHOD FOR RAPID SUBCOOLING OF ORGANS AND TISSUE Claims 1. A method for rapid hypothermia of organs and tissues, characterized in that that a supercooled and compressed gas is in an autoclave (1) and surrounds a biological tissue or organ in it. The vascular network this organ is caused by the gas in this environment of one of the surrounding pressure is independent of the lower pressure (O - 1000 mm Hg). Of the Flow pressure is generated inside the autoclave by a fan (3) (Fig. 1, 2). 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Unterkühlung einer Niere diese so durchströmt wird, daß gleichzeitig ein Druckgefälle im vaskulären Teilt P1 und gleichzeitig ein Druckgefälle im NephronZ P2, also vom Glomeruli zum Nierenbecken, und ein Druckgefälle #P3 vom Nierenbecken zum Ureter vorliegt (Fig. 1). 2. The method according to claim 1, characterized in that the Undercooling of a kidney flows through it in such a way that at the same time a pressure gradient is created in the vascular part P1 and at the same time a pressure gradient in the nephronZ P2, i.e. from the Glomeruli to the renal pelvis, and a pressure gradient # P3 from the renal pelvis to the ureter is present (Fig. 1). 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Nierenbecken ar zu unterkühlenden Niere durch eine Ureterkanüle (19) mit unterkühltem Gas gespült wird und durch eine zweite mit dem Widerstandselement (5) versehene Kanüle (tO) wiederåustritt (Fig. 1). 3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the Renal pelvis ar to be supercooled kidney through a ureteral cannula (19) with hypothermic Gas is flushed and through a second provided with the resistance element (5) Cannula (to) exits again (Fig. 1). 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß sich im Autoklaven ein Wärmeaustauscher (2) findet, der an die Form der Niere oder des Herzens angepaßt ist und diese dicht umgibt (Fig. 1, 2, 3). 4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that In the autoclave there is a heat exchanger (2) which is adapted to the shape of the kidney or des Is adapted to the heart and surrounds it tightly (Fig. 1, 2, 3). 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Autoklaven (1) ein flaches Gewebeteil (21) von kaltem Gas so gekühlt wird, indem das kalte komprisierte Gas an den großen Flächen vorbeiströmt und durch eine Drckdifferenz zwischen der Röhre (22) und dem Raum (23) im Qoerschnitt durchströmt wird. Die Druckdifferenz wird durch den unetrdruck in der sich verengenden Röhre (22) und dem Staudruck im Raum (23) erzeugt. Zur Erzielung einer Strömung im Raum (23) ist dieser mit kleinen Austrittsöffnungen (24) versehen.5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that within of the autoclave (1) a flat piece of tissue (21) is cooled by cold gas by the cold compressed gas flows past the large surfaces and through a pressure differential is flowed through in cross section between the tube (22) and the space (23). The pressure difference is due to the unetrdruck in the narrowing tube (22) and the back pressure in the Space (23) generated. To achieve a flow in space (23) this is small Provided outlet openings (24).
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