Criopreservación de aorta de Mus Musculus mediante técnicas de Ultrasonidos Focalizados de Alta Intensidad y validación por elementos finitos

Abstract

El ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU) es una tecnología pionera que se abre camino en el ámbito de la criopreservación. Su uso ha dado resultados competentes en la preservación de larvas y adultos de C-elegans. Esta tecnología es potencialmente prometedora para la criopreservación de órganos y tejidos cuando se emplean varios transductores y se acopla a la imagen médica. Por esto, se ha decidido hacer experimentos con tejido tanto en simulaciones como con el transductor real. En los experimentos reales se han trabajado con 30 aortas criopreservadas y recalentadas con el método estándar y con la técnica HIFU para extraer conclusiones ilustrativas. Las restricciones de estos experimentos incluyen un transductor de 60W, 1.224MHz, aplicando ultrasonidos a un anillo de aorta de ratón de 1 mmx1mm almacenado a - 80ºC. Debido a la naturaleza invisible de la acústica, averiguar el mapa de presión y temperatura producido por un transductor facilita la búsqueda de combinaciones de trabajo de velocidades de calentamiento, volúmenes y características generales del transductor. Estas buenas prácticas pueden ejemplificarse en trabajos anteriores de nuestro grupo. Un enfoque de simulación por elementos finitos proporciona una visión precisa y rápida de este asunto. Por lo tanto, en este trabajo ampliamos dichas prácticas a la criopreservación de tejido vascular con HIFU. Las simulaciones implican replicar la geometría del experimento deseado y resolver el conjunto de ecuaciones diferenciales sujetas a las restricciones de nuestro experimento. Las ondas simuladas atraviesan diferentes materiales como los utilizados en el experimento real, que son, etilenglicol, agar, agua (hielo) y músculo. Los resultados de estas simulaciones coinciden satisfactoriamente con los experimentos realizados con aortas reales en términos de velocidad de calentamiento y homogeneidad. Las aortas simuladas se llevaron hasta 0ºC en 60 segundos tras la aplicación de ultrasonidos. El gradiente térmico dentro del volumen de interés era mínimo. Los experimentos reales mencionados permitieron recuperar las células de los tejidos con una supervivencia pareja a las técnicas existentes actualmente.

High intensity focused ultrasound (HIFU) is a pioneering technology that is making its way into the field of cryopreservation. Its use has yielded competent results in the preservation of Celegans larvae and adults. This technology is potentially promising for organ and tissue cryopreservation when multiple transducers are employed and coupled with medical imaging. For this reason, it has been decided to perform tissue experiments both in simulations and with the real transducer. In the real experiments, 30 cryopreserved and reheated aortas have been worked with the standard method and with the HIFU technique to draw illustrative conclusions. The constraints of these experiments include a 60W, 1.224MHz transducer, applying ultrasound to a 1 mmx1mm mouse aortic ring stored at -80°C. Due to the invisible nature of acoustics, finding out the pressure and temperature map produced by a transducer facilitates the search for working combinations of heating rates, volumes and general transducer characteristics. These best practices can be exemplified in previous work by our group. A finite element simulation approach provides an accurate and rapid insight into this issue. Therefore, in this work we extend such practices to vascular tissue cryopreservation with HIFU. The simulations involve replicating the geometry of the desired experiment and solving the set of differential equations subject to the constraints of our experiment. The simulated waves pass through different materials as used in the actual experiment, namely ethylene glycol, agar, water (ice) and muscle. The results of these simulations agree satisfactorily with the experiments performed with real aortas in terms of heating rate and homogeneity. The simulated aortas were brought to 0°C within 60 seconds after ultrasound application. The thermal gradient within the volume of interest was minimal. The aforementioned real experiments allowed tissue cells to be recovered with survival on par with currently existing techniques.