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Cryobiologie

La Cryogénie :

      La cryogénie (Kriogenia production de froid) est l’étude et la production des basses températures (proches du 0 absolu et inférieures à -150°C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses applications notamment dans le secteur alimentaire, médical, industriel, physique et de l’élevage.

      La cryogénie a ainsi ouvert beaucoup de possibilités comme :

• La conservation des aliments à l’aide d’azote liquide ;
• L’étude de la supraconductivité (absence de résistance électrique) ;
• L’étude de la superfluidité (absence de viscosité pour un liquide) ;
• La transformation en une fine poudre de toutes sortes de matières ;
• La récupération et le stockage de gaz (autour de  -185°C, l'oxygène devient liquide si bien qu'il devient possible d'en emmagasiner 800 litres dans un récipient qui ne pourrait recevoir normalement qu'un seul litre d'oxygène gazeux) ;
• La création, à partir d’azote liquide, de toutes sortes de neiges ;
• La supression chirurgicale des tumeurs ;
• La suspension du métabolisme.

      Fonctionnement :

      La cryogénie utilise deux isotopes (atome d’un élément chimique dont le noyau a le même nombre atomique Z), l’hélium-3 (rare) et l'hélium-4.

      Lorsque la température s’approche du zéro absolu (0°K soit -273°C, température à laquelle les mouvements moléculaires sont rendus impossibles), la mixture subit spontanément une phase de séparation vers une forme d’ l’hélium-3 riche et une forme l’hélium-3 pauvre.

      Généralement, les réfrigérateurs cryogéniques fonctionnent dans un cycle continu. L’hélium-3 est liquéfié dans un condensateur qui est relié aux secteurs d’hélium-3 riche. Les atomes d’he-3 migrent à travers la forme d’he-3 pauvre, fournissant la puissance de refroidissement, puis arrivent dans un distillateur où ils s’évaporent pour recommencer un cycle.

      Dangers associés à la manipulation :

      La manipulation de fluides cryogéniques nécessite des mesures de précaution face aux risques :

• D'anoxie : il est vital de s'assurer que l'oxygène se trouve en proportion adéquate dans l'atmosphère que l'on respire. L'anoxie, provoquée par la sous-oxygénation, comporte des risques réels. La réaction de l'organisme à la sous-oxygénation de l'atmosphère est très variable d'un sujet à l'autre mais d'une manière générale, l'anoxie est difficile à détecter et peut provoquer une sensation d'euphorie.

• De brûlures : la manipulation de produits stockés dans l'azote liquide ou la mise en œuvre de fluides cryogéniques, provoque des risques de brûlures. Celles-ci peuvent avoir de graves conséquences, tout particulièrement lorsqu'elles concernent les yeux ou le visage. Il est donc essentiel de prendre garde aux brulures par projections ou par contact.

 

La Supraconductivité :

      La supraconductivité est un phénomène rencontré dans certains matériaux à de très basses températures. Elle est caractérisée par l’absence totale de résistance électrique et l’annulation du champ magnétique à l’intérieur du matériau.

      Utilité :

      La supraconductivité permet de créer des électroaimants plus puissants au champ magnétique très homogène, elle est utilisée pour l’imagerie médicale et les accélérateurs de particules. Mais elle sert aussi à stocker de l’énergie et à réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée (deux noyaux atomiques s’assemblent pour en former un plus gros).

La Superfluidité :

      La superfluidité est une phase de matière caractérisée par l’absence totale de viscosité. Ainsi, les superfluides, placés dans une boucle fermée, peuvent couler indéfiniment sans frottement. La science qui étudie la superfluidité s’appelle quantum hydronomics.

      La superfluidité est utilisée dans les réfrigérateurs cryogéniques et comme dissolvant de quantum dans les techniques spectroscopiques.

Le Cryo-Broyage :

      Le cryo-broyage utilise un liquide cryogénique (azote liquide) pour refroidir avec précision les matériaux jusqu'à leur point de fragilisation afin d'en faciliter la réduction mécanique.

      Principe :

      D’abord, la matière est découpée en blocs d’à peu près 1cm puis elle est introduite au centre du broyeur. Le broyage est obtenu par percussion et projection, entre les morceaux mobiles du rotor tournant à grande vitesse et les morceaux fixes. La matière est broyée progressivement et la finesse est contrôlée par une couronne tamisante. Le réglage de la finesse du produit à broyer est déterminé en choisissant l'équipement de broyage, la vitesse de rotation du rotor, le type et les perforations de la couronne tamisante.

La Cryopréservation :

      La cryopréservation a pour but de suspendre l’évolution des cellules et de pouvoir les remettre en mouvement par la suite. Elle fonctionne comme la cryogénie alimentaire mais elle est plus complexe à appliquer, car les dégâts que peuvent entraîner les très basses températures ne sont pas un problème en cryogénie alimentaire mais doivent obligatoirement être évitées pour la cryopréservation. Elle est utilisée pour conserver le sperme, les tissus et comme dernier espoir pour les gens ne pouvant plus être guéris avec les techniques médicales actuelles.

      La cryopréservation des humains ou cryonie n'en est encore a ses débuts et est considérée par certains  scientifiques avec beaucoup de scepticisme car il n’est pas encore possible de réveiller ce que l’on congèle : les cellules et les organes s’abiment durant les changements de température.

La Cryonie :

      La cryonie est l'usage de températures cryogéniques (très basses) pour préserver des êtres humains récemment décédés dans l'espoir qu'ils puissent être ramenés à la vie dans l'avenir.

Questions courantes :

      Les patients cryoniques sont-ils morts ?

      La loi n'autorise pas la congélation d'une personne vivante, ainsi, la cryonie commence après que la mort légale ait été déclarée. Mais la mort légale et la mort réelle ne sont pas la même chose. La mort légale signifie simplement qu'une autorité médicale qualifiée a décidé que rétablir (ou essayer de rétablir) la circulation du sang n'est plus approprié. La mort réelle advient alors. Il existe des formes de chirurgie aujourd'hui qui permettent l'arrêt du métabolisme (pendant 4 heures) et sa remise en fonction. La cryonie est une extension de ce concept d'arrêt métabolique total (coma biostatique), et se repose sur des technologies à venir pour la réparation. Si les technologies à venir peuvent récupérer les patients cryoniques d'aujourd'hui, alors ils sont tout aussi vivants que des embryons humains cryopréservés, qui peuvent déjà aujourd'hui être récupérés depuis leur état de cryopréservation.

      Les souvenirs ne seront-ils pas perdus si l'activité électrique du cerveau est interrompue ?

      La mémoire a court terme dépend de l'activité électrique. Cependant la mémoire à long terme repose sur des changements durables dans le cerveau. D'aprés le Textbook of Medical Physiology (Traité de Physiologie Médicale) d'Arthur C. Guyton (W.B. Saunders Company, Philadelphia, 1986), la mémoire secondaire ne dépend pas d'une activité continue du système nerveux, parce que le cerveau peut être totalement inactivé par le refroidissement, par l'anesthésie générale, par l'hypoxie, par l'ischémie, ou par toute autre méthode, sans affecter les souvenirs secondaires qui y ont été stockés auparavant.

      Les patients sont-ils congelés ?

      Pas en général. La procédure la plus avancée est la vitrification. Dans la vitrification, plus de 60 % de l'eau à l'intérieur des cellules est remplacée par un mélange de composés cryoprotecteurs (antigel) de façon à ce que les tissus ne gèlent pas (ou seulement de façon négligeable) pendant le refroidissement. Au lieu de geler, les tissus, au-dessous d'une température de -130^oC., deviennent un verre rigide sans subir les dommages des cristaux de glace. La chimie est arrêtée, et les tissus sont essentiellement stables de façon indéfinie. Dans la recherche médicale conventionnelle, la vitrification a été utilisée avec succès pour préserver des embryons, des ovules, des îlots pancréatiques, de la peau, des greffons vasculaires. Le travail se poursuit pour rendre la vitrification réversible dans les systèmes vivants plus grands.

      Pourquoi la vitrification n'est-elle pas réversible aujourd'hui ?

      Bien que les cryoprotecteurs utilisés dans la vitrification inhibent la plupart, si ce n'est la totalité, de la formation de glace, des obstacles demeurent. L'obstacle principal est la toxicité du cryoprotecteur. Des concentrations élevées de cryoprotecteur sont toxiques pour le métabolisme cellulaire. Les scientifiques concentrent aujourd'hui leurs efforts pour parvenir à la meilleure préservation structurelle du cerveau, en supposant que la toxicité sera comprise et réparée dans l'avenir, par nanotechnologie le cas échéant. On prévoit que les avancées continues dans le domaine de la vitrification des organes seront adaptées à la cryonie afin de minimiser davantage encore l'impact toxique sur les patients cryoniques.

      Les gens peuvent-ils vraiment être ramenés à la vie après qu'ils ont été suspendus ?

      Jusqu'ici, aucun être humain en suspension cryonique n'a été ramené à la vie. Cependant, de nombreux organismes biologiques, comme des insectes entiers, des anguilles, des embryons humains et des cellules cérébrales humaines ont été cryopréservés et ramenées à la vie avec succès. Toutefois aucun être humain n'a encore été cryogénisé de son vivant..

      Qu'est-ce que la nanotechnologie et la nanomédecine ?

      La nanotechnologie est une technologie émergente pour produire et manipuler la matière à l'échelle moléculaire qui par sa faculté à construire ou réparer virtuellement n'importe quel objet, y compris les cellules et les tissus humains, jouera un rôle important dans le succès de la réanimation cryonique

      Procédures cryoniques :

      La perfusion cryoprotectrice :

      Les vaisseaux sanguins principaux sont reliés à un circuit de perfusion. Les vaisseaux préférés sont l'aorte et la veine cave dans la poitrine, auxquelles on accède par chirurgie thoracique (sternotomie médiane). Parfois, les artères carotides et vertébrales sont recherchées directement lorsque il y pourrait y avoir des caillots dans les artères plus grandes. Le sang est remplacé par une solution protectrice.

      Le refroidissement :

      Puis on procède au refroidissement à des cryotempératures en immergeant le corps dans un fluide d'azote liquide (-196°C) . L'équipement de perfusion consiste dans une pompe spéciale pour faire circuler les liquides dans le corps et le vider de son sang, ainsi que dans un échangeur de chaleur pour abaisser la température et prévenir la détérioration. La solution protectrice elle-même est aqueuse (à base d'eau) mais varie dans sa composition. Des solutions à base de glycérol ont été largement utilisées, mais de nouvelles solutions sont utilisées contenant du diméthyl sulfoxide (DMSO) et d'autres ingrédients, afin de réaliser une vitrification et d'éliminer les dommages causés par les cristaux de glace.

      Le transfert :

      A l'issue de la phase de refroidissement, le corps est transféré dans  une cuve d'hélium liquide dont la température plus élevée (mais néanmoins cryogénique) évite les risques de dommages liés au craquèlement des tissus amenés à leur point de fragilisation. On fait alors circuler dans le patient pendant plusieurs minutes une perfusion basique à température proche de 0°C (point de congélation de l'eau) afin d'éliminer tout reste de sang. La concentration de solution cryoprotectrice est ensuite augmentée de manière linéaire pendant deux heures jusqu'à ce qu'elle atteigne la moitié de la concentration finale voulue. Cette introduction lente minimise le stress osmotique, et donne le temps à la concentration cryoprotectrice d'atteindre un équilibre ente l'extérieur et l'intérieur des cellules. On réalise alors une augmentation rapide vers la concentration finale, et celle-ci est maintenue jusqu'à ce que la solution sortant des veines ait la même concentration que la concentration finale voulue (ceci prend environ une heure).

      Le coma osmotique :

      Durant la phase de cryopréservation, la température, la pression et la concentration de solution cryoprotectrice sont contôlées en permanence. Une sonde permet de vérifier l'activité cérébrale, la réaction osmotique du cerveau (un cerveau lésé enfle, lorsque la barrière sang-cerveau a été compromise) et la réaction de l'organisme à la perfusion (au moyen de l'injection d'une teinture) et d'observer la réaction osmotique du cerveau.

      La réanimation :

      Au réveil, une armée de nanomachines  équipées pour retirer le cryoprotectant (capable de travailler à des températures extrèmes) est injectée par perfusion. En dégageant d'abord les gros vaisseaux, puis les capillaires, ceci ouvrent des voies d'accès à tous les organes du patient. Elles les remplacent provisoirement par un échafaudage moléculaire non toxique. Quand elles ont fini leur travail, les machines se retirent ; le fluide est progressivement remplacé par une solution aqueuse lors de l'élévation progressive de température, jusqu'au-dessus de zéro. Du sang est alors injecté dans le système vasculaire du patient. Les sondes et les appareils encore présents dans les cellules ajustent les concentrations en sels, sucres, ATPl et autres petites molécules... Les machines moléculaires permettent petit à petit au métabolisme de reprendre. Stimulé électriquement, le cœur est finalement relancé et les battements reprennent ; le patient se réanime.

Cryo Sleep Induce Amnesia

      L'amnésie est une affection de la mémoire. Les causes de l'amnésie peuvent être organiques ou fonctionelles :

• Les causes organiques impliquent des dégats du cerveau causés par un traumatisme (choc) ou l'usage de drogues génerallement sédatives (qui agissent contre la douleur, l'anxiété, l'insomnie ou modèrent l'activité d'un organe).

• Les causes fonctionelles obéissent à des facteurs psychologiques comme les mécanismes de défense ; l'amnésie post-traumatique hystérique en est un exemple. L'amnésie peut également être spontanée dans le cas d'une amnésie globale transitoire, ce type d'amnésie est plus répandu chez les jeunes (en particulier les hommes) que chez les personnes plus agées et ne dure que rarement plus de 24 heures.

Les Types d' Amnésie :

• Amnésie anterograde / Amnésie retrograde :
  • Lors d'une amnésie anterograde, les nouveaux évènements ne sont pas transférés vers la mémoire à long terme,  la victime devient incapable d'enrregistrer quoique ce soit survenu aprés le déclenchement de cette amnésie.  
  • Lors d'une amnésie retrograde, la victime est incapable de se souvenir des évènements survenu avant le déclenchement de son amnésie. Ces expressions décrivent davantage des modèles et des symptomes mais ne sont pas employées en étiologie (recherche des causes d'une maladie) Ces deux amnésies peuvent se manifester simultanéement chez un patient et résultent en général de dégats des régions du cerveau associées à la mémoire épisodique ou déclarative : le lobe temporel moyen et plus particulièrement l'hippocampe.

• Amnésie organique  / Amnésie psychogénique :
  • L'amnésie organique résulte de causes physiques (choc) ou chimiques (drogue).
  • L'amnésie psychogénique résulte de causes fonctionelles (mécanismes de défense).

• Amnésie traumatique : Elle est générallement provoquée par une blessure à la tête (chute, choc) L'amnésie traumatique est rarement définitive, sa durée dépend de l'importance de la blessure et peut donner une indication afin de pronostiquer la récupération d'autres fonctions. Les traumatismes légers tels que certains accidents de voiture peuvent entrainer une perte des souvenirs des instants précedant l'accident à cause d'une brève interruption du mécanisme de transfert de la mémoire à court terme vers la mémoire à long terme.

• Amnésie dissociative :  Elle fait référence à une mémoire à long terme refoulée pour des raisons psychologiques ou à la suite d'un important choc émotionnel.

• Amnésie générale : C'est la perte intégrale de la mémoire a priori provoquée par les mécanismes de défense à la suite d'évènements traumatiques. Le stress post-traumatique peut également impliquer la récupération vive et spontanée de souvenirs refoulés ou non désirées.

• Amnésie lacunaire : C'est la perte de la mémoire d'un évènement spécifique.

• Amnésie infantile : C'est l'impossibilité répandue de se souvenir de certains évènements de son enfance. Sigmund Freud l'attribuait à la répression sexuelle mais d'autres psychanalistes considèrent qu'elle serait dû à un problème de développement du language ou à l'immaturité de certaines parties du cerveau.

• Amnésie post-hypnotique : C'est le fait que les évènements survenus en état d'hypnose soient oubliés.

• Amnésie de source : C'est un disfonctionnement de la mémoire où le sujet retient une information mais  ignore son origine ainsi que les circonstances d'apprentissage.

• Etat de fugue : Egalement appelé fugue dissociative, il est causé par traumatisme psychologique et est normallement temporaire. Le manuel Merck le définit comme "un ou plusieurs épisodes d'amnésie dans lesquels l'impossibilité de se souvenir d'une partie ou de la totalité de son passé et l'oubli de son identité ou la formation d'une nouvelle identité provoque la fuite soudaine et innatendue de la victime hors de son foyer.

• Memory distrust syndrome : C'est un trouble de la mémoire décrit par Gisli Gudjonsson où le sujet ne parvient pas à croire en ses propres souvenirs.

• Syndrome de Korsakoff : L'alcoolisme à long terme peut provoquer des pertes de mémoires. Ces dégats aux cerveau sont causés progressivement par l'injestion d'alcool et sont dûs à une déficience en vitamine B. La perte de mémoire est générallement associée d'autres troubles neurologiques. L'absorption excessive d'alccol peut également provoquer des black-out (brèves pertes de mémoires)similaires à l'amnésie.

L' Amnésie dans la fiction :

      L'amnésie est récurrente dans les oeuvres de fiction, on peut par exemple citer :

• The Bourne Identity (Littérature et Cinéma)
• XIII (Bande-Dessinée)
• 24 H (Série TV)

      On assiste régulièrement au regain de la mémoire grâce à un nouveau coup à la tête, toutefois il est important de signaler qu'en réalité une seconde contusion aurait des conséquences catastrophiques (Syndrome du second impact).