Diseño y desarrollo experimental de sistemas y dispositivos electrónicos para el apoyo a la criopreservación mediante equilibrio termodinámico de órganos

Abstract

Mediante el presente proyecto se desarrollan sistemas de apoyo a la criopreservación de órganos de mus musculus a partir de la técnica equilibrium vitrification aplicada a diferentes tejidos desde un acercamiento experimental. La tarea en cuestión comporta el diseño y cálculo de una serie de sistemas electrónicos, térmicos, hidráulicos y químicos, extendiéndose por numerosas ramas de la ingeniería y las ciencias. Para ello, se establece como objetivo principal la perfusión con crioprotector de corazón y encéfalo de ratón y la supervivencia del órgano hasta este instante de perfusión. La técnica de vitrificación por equilibrio requiere, en concreto, el seguimiento de unas curvas de concentración de crioprotector y de temperatura para una serie de instantes de tiempo, y esto se hubo de aplicar a ambos órganos. Se realizaron pues tres experimentos (con diversos ensayos para cada uno de ellos) para la correcta criopreservación de los tejidos, a saber: la supervivencia ex-vivo del corazón en un medio artificial mediante sistemas térmicos, electrónicos e hidráulicos, la perfusión del corazón aislado siguiendo las curvas propias de la técnica, y la perfusión del encéfalo o tejido nervioso central, no aislado, siguiendo las anteriores curvas. Esto se consigue con sistemas hidráulicos, electrónicos, químicos y térmicos. A lo largo de la fase experimental se comprobó la mejora de la supervivencia de los órganos aislados (corazones) gracias al ajuste de los parámetros tales como el caudal y presión de perfusión, obedeciendo las condiciones de contorno impuestas por los propios sistemas biológicos. Se obtuvo igualmente una mejora en la perfusión y en la retención de agente crioprotector conforme se mejoraba la supervivencia de dichos órganos. En lo referente a corazón, se alcanzaron los valores de concentración deseados y marcados por las curvas de vitrificación de equilibrio, así como la temperatura a la cual se alcanzaban los valores deseados. En el caso del encéfalo, se obtuvieron valores menores a los del corazón dada la estructura tisular y el comportamiento de los elementos hidrosolubles con la pared celular del tejido nervioso.

Through the present project, the development of support systems for murine organ cryopreservation using the equilibrium vitrification technique applied to different tissues is presented. This involves an experimental approach to the problem. The task comprises the design and calculation of several electronic, thermal, hydraulic and chemical systems. For this matter, the main objective was established: whole organ perfusion with cryoprotectant, for both murine heart and encephala, and the survival of said organ up to the initiation of perfusion. The equilibrium vitrification technique requires, specifically, following certain concentration and temperature curves for given instants in time, and this had to be applied to both organs. Hence three experiments took place (with several repetitions for each one of them) to correctly cryopreserve the tissues: ex-vivo survival of the murine heart in an artificial environment thanks to electronic, thermal and hydraulic systems following the previously stated curves, and the correct perfusion of central nerve system or encephala, in-vivo, following the curves, which requires chemical, hydraulic, electronic and thermal systems and their control. Throughout the experimental phase it was proven the survival of the isolated heart provided the correct adjustment of flow and pressure parameters, subject to the conditions imposed by the biological systems. Likewise, it was observed an improvement in the perfusion and retention of the cryoprotecting agent according to the improvement of organ survival up to this phase. Regarding to the heart, the desired ACP values were reached as given by the concentration curves for equilibrium vitrification, as well as the temperatures reached within the time specifications. Regarding encephala, lower values were reached due to the tissue structure and behavior of hydrosoluble reactants given the nervous tissue wall structure.