De bewaartijd van organen voor transplantatie verlengen tot drie dagen d.m.v. superkoeling.

Iedereen weet wel dat water bevriest als het kouder is dan 0 graden Celsius. Maar onder bepaalde omstandigheden gebeurt dat niet. Onderzoekers van het Massachusetts General Hospital in Boston gebruikten dit verschijnsel, superkoeling genoemd, om rattenlevers drie keer langer te kunnen bewaren dan met de huidige methode mogelijk is. Met deze techniek kunnen we mogelijk ook menselijke organen langer bewaren, wat veel voordelen heeft voor de transplantatiewereld.

14 juli 2014

Organen die worden gebruikt voor transplantatie blijven buiten het lichaam van de donor maximaal 24 uur bruikbaar. Wanneer er een orgaan beschikbaar komt, moet snel worden bepaald wie het orgaan zal ontvangen. Het ziekenhuis moet de patiënt snel voorbereiden, en de arts moet binnen korte tijd de transplantatie uitvoeren. De bewaartijd van een orgaan zet dus behoorlijk wat druk op het proces.

Volgens Edith Swinkels, woordvoerder van de Nederlandse transplantatiestichting (NTS), moet het transplantatieproces zo snel gebeuren door het gebrek aan doorbloeding en daarmee zuurstofvoorziening in het orgaan: “Wanneer het orgaan zich buiten het lichaam bevindt, stopt de bloedtoevoer en beginnen er processen die de organen beschadigen. Door een uitgenomen orgaan zo snel mogelijk op ijs te koelen, kun je het proces van beschadiging vertragen, maar na bepaalde tijd sterft het orgaan af. Deze tijd verschilt per orgaan. Er zijn wel manieren om uitgenomen organen langer goed te houden, zoals nieuwe methodes die worden ontwikkeld om longen, levers en nieren te perfunderen. Dit houdt in dat er een rijk medium door het gehele weefsel wordt gespoeld.” Dit is nodig omdat de enzymen in de cellen actief blijven, ondanks de verlaagde temperatuur. Wanneer er dan geen voedingsstoffen voorhanden zijn, zullen de cellen doodgaan.

vloeibare stikstof, cellen bewaren, cellen opslaan, cryostorage, — Losse cellen kunnen worden opgeslagen in vloeibare stikstof (-196 graden Celsius). Ze kunnen jaren later weer worden ontdooid om er mee verder te kweken. De meeste weefsels verdragen dit soort temperaturen niet.
Matylda Sęk, Wikimedia Commons

Superkoeling

Koeling van levende materialen (van organen tot bacteriën) zorgt voor een verminderde enzymactiviteit, waardoor bederven wordt vertraagd. De moeilijkheid van het bewaren van organen zit hem in het feit dat ze bestaan uit veel verschillende cel- en weefselsoorten, die allen verschillend reageren op kou. Hierdoor kunnen ze niet bij hele lage temperaturen worden bewaard, zoals bij eenvoudiger materiaal. Losse cellen blijven bijvoorbeeld jaren goed bij -196 graden Celsius (de temperatuur van vloeibare stikstof). Door het toepassen van superkoeling, in combinatie met chemicaliën die in huidige preserveringsmethoden worden gebruikt, konden Martin Yarmush en Korkut Uygun van het Massachusetts General Hospital (MGH) in Boston de bewaartijd van rattenlevers echter verlengen tot 72 uur. Met huidige methoden moeten organen binnen 24 uur na afname getransplanteerd worden omdat ze anders beschadigd raken.

Superkoeling is een verschijnsel waarbij een vloeistof wordt gekoeld tot beneden zijn vriespunt, maar daarbij toch niet bevriest. Het blijft dus een vloeibaar, en verandert niet in een vaste stof zoals water in ijs verandert bij een temperatuur onder 0 graden Celsius. Bij bevriezing vindt zogenoemde nucleatie plaats: ijskristallen vormen zich in het water. De vorming van deze kristallen begint rond een bepaalde plek, een nucleus. Kleine onzuiverheden in gewoon water, zoals stof- of zanddeeltjes, fungeren als nucleus wanneer het water onder 0 graden Celsius begint te bevriezen. Men spreekt dan van heterogene nucleatie, want de beginpunten concentreren zich op een aantal specifieke plekken. Zeer puur water zonder onzuiverheden bevriest het pas bij -42 graden Celsius. Er vormen zich dan spontaan en verdeeld over de vloeistof ijskristallen: homogene nucleatie.

Rattenlever transplantatie

Zo ver daalt de temperatuur in de methode van Yarmush en Uygun niet. In hun methode is superkoeling mogelijk door onzuiverheden te mijden en de temperatuur niet verder te laten dalen dan -6 graden Celsius. De onderzoekers voegen daarbij twee veelgebruikte stoffen toe om celstructuren te beschermen. Na een tijd onder deze omstandigheden te zijn bewaard, werden de organen weer langzaam opgewarmd door de oplossing te vervangen. Hierin zaten opnieuw een aantal stoffen (waaronder zuurstof), deze keer om ze voor te bereiden op transplantatie. Alle ratten die werden voorzien van levers die op deze manier drie dagen waren bewaard, leefden drie maanden later nog. Dit in tegenstelling tot de ratten die levers getransplanteerd kregen welke op de huidige manier waren bewaard.

Rattenlever die wordt bewaard in een gekoelde oplossing. — Rattenlevers werden in de gekoelde oplossing drie dagen bewaard. Zowel het koelen als het weer opwarmen gebeurt via perfusie: kunstmatige doorbloeding waarmee de vloeistof zo veel mogelijk cellen in het orgaan bereikt.
Harvard Medical School

Kettingreactie

De onderzoekers verwachten dat de methode ook werkt voor andere organen, maar dit moet nog worden onderzocht. Ook voor toepassing op menselijke organen zijn nog meer testen nodig. Deze zijn doorgaans groter dan die van ratten, en dat beïnvloed het tempo voor het afkoelen en opwarmen. De temperatuursverandering moet gelijkmatig verdeeld over het orgaan plaatsvinden, en dat is lastiger bij grotere organen.

Het transport van organen is een tweede probleem. Er staat een soort ‘spanning’ op een supergekoelde vloeistof doordat de temperatuur zich beneden het vriespunt bevindt. Kristalvorming door de gehele vloeistof komt daardoor meteen als een kettingreactie op gang zodra er ergens een nucleus ontstaat. Een bestaand ijskristal kan een nucleus vormen, maar ook trillingen zorgen voor een spontaan begin. Dit leidt tot praktische toepassingen met supergekoeld water (zie kader), maar bij transport van de organen ontstaat hierdoor het risico op beschadiging.

Betere match

In Nederland bestaat de wachtlijst voor een donororgaan in totaal uit ruim 1000 patiënten, beheerd door de NTS. Swinkels: “Vorig jaar stierven er 130 patiënten als gevolg van het wachten op een donororgaan. Daarnaast zijn er nog mensen die niet zijn overleden, maar wel – meestal tijdelijk – van de wachtlijst zijn gehaald vanwege hun verslechterde conditie. Zij kunnen op dat moment de zware operatie die een transplantatie is, niet aan.”

Onderzoekers Yarmush en Uygun denken dat met hun methode de wachtlijst en het aantal wachtende sterfgevallen kan worden teruggedrongen binnen de Verenigde Staten. Volgens Swinkels is het echter niet zo zeker of dit ook voor Nederland geldt: “In alle landen zijn er wachtlijsten voor een donororgaan. Wanneer het transport van de organen gemakkelijker gaat, of deze van verder weg kunnen komen, wil dat nog niet zeggen dat het ook gebeurt.” De NTS werkt al op Europees niveau samen voor het vinden van de beste match, maar hier komen veel regels en afspraken bij kijken om bijvoorbeeld de balans tussen ‘import en export’ te handhaven.

Swinkels verwacht daarom vooral een verbetering bij het vinden van een match. “Het bepalen van een match gebeurt aan de hand van een aantal persoonlijke eigenschappen zoals bloedgroep, formaat van het orgaan en het weefseltype. Een langere bewaartijd voor de organen vergroot de donorpool en de groep wachtlijstpatiënten, waardoor er een grotere kans is op het vinden van een goede match. Lagere transportkosten door verminderde spoed en betere voorbereiding van de patiënt en arts zijn mogelijk eveneens positieve bijkomstigheden van een langere bewaartijd.”

De wetenschap achter ijs-magie

Naast de mogelijkheid om organen te bewaren, is supergekoeld water ook een zeer geschikt middel voor een aantal leuke trucs. Gepurificeerd water bevat geen verontreinigingen, zoals stofdeeltjes of organische materialen. Dit zijn echter de benodigde startpunten/nuclei voor ijskristalvorming bij temperaturen onder 0 graden Celsius. Zonder deze verontreinigingen bevriest water pas bij -42 graden Celsius. Als het water nog vloeibaar is, maar wel ruim onder de 0 graden Celsius, zijn er een aantal factoren die nuclei kunnen vormen, en daarmee bevriezing van het water in gang kunnen zetten. Dit kun je zelf thuis ervaren met flesjes supergekoeld water, zoals dit filmpje demonstreert:

http://www.youtube.com/watch?v=sQdLttUh_b0

In het filmpje zie je twee verschillende manieren zien om de kettingreactie van kristalvorming op gang te brengen. Een goede tik op de fles veroorzaakt een trilling, waarvan de energie zorgt voor een nucleus en de watermoleculen in ijskristallen doet veranderen. In de overige voorbeelden zie je dat er bestaande ijskristallen samenkomen met het supergekoelde water. Deze dienen dan als nucleus, van waaruit het water bevriest.

Een ander bekend voorbeeld van nucleatie die je zelf kunt veroorzaken is het snoepje in de fles frisdrank. Frisdrank met prik bevat veel opgelost koolstofdioxide (CO₂). De suikerlaag van het snoepje bestaat feitelijk uit allemaal nuclei die de overgang van opgelost CO₂ naar gasvormig CO₂ op gang brengen. Wanneer het oppervlak van het snoepje contact maakt met de opgeloste CO₂, ontstaat een kettingreactie waardoor het gas uit de fles spuit.

Bron

Yarmush, L.M., Uygun, K. et al. Supercooling enables long-term transplantation survival following 4 days of liver preservation, Nature medicine (29 juni 2014), DOI: 10.1038/nm.3588