När det gäller organtransplantation, tävlar läkare mot klockan - och tiden är inte på deras sida.
Ett team av kliniker måste först ta bort organet från sin givare, uppsättningar med handskar som samordnar för att snyggt klyva vävnad från kroppen. Läkarna förbereder sedan det skördade organet för transport till mottagaren, som kan vara timmar borta med flyg. När organet når sin destination kan transplantationsoperationen äntligen påbörjas; återigen måste kirurger arbeta snabbt för att säkerställa både patientens säkerhet och organets livskraft.
Denna beskrivning kan göra att organtransplantationskirurgi låter som ett TV-drama, med medicinsk personal som sprids genom sjukhuskorridorer som bär kylar packade med kroppsdelar. Men allt bråttom ger upphov till en fråga som är mycket viktigare än en TV-show: Hur länge kan ett organ hålla utanför kroppen och förbli lämpligt för transplantation?
Det beror på orgelet. För tillfället kan tidsfönstret vara mellan 4 och 36 timmar. Men en dag hoppas läkarna kunna hålla organ i veckor i slutet.
Organ på is
År 2018 ägde mer än 36 500 organtransplantationer endast i USA enligt United Network for Organ Sharing (UNOS). Överlägset var njurarna det vanligaste transplanterade organet, med mer än 21 000 transplantationer som ägde rum förra året. De näst vanligaste transplanterade organen var lever, hjärta och lunga, i den ordningen, följt av bukspottkörtel-, tarmen och multiorgantransplantationer.
De flesta organ placeras i "statisk kylförvaring" efter att de skördats, vilket innebär att organet deponeras i en svalare full av is, enligt en rapport från 2019 i Journal of International Medical Research.
"Den ursprungliga idén för kallkonservering är mycket som när vi lägger maten i kylen," säger Dr. Mingyao Liu, chef för Institute of Medical Science och professor i kirurgi, medicin och fysiologi vid University of Toronto.
Innan läkaren placeras i kylförvaring spolar läkarna först vävnaden med en "konserveringslösning" för att skydda orgelet från skador orsakade av extrem förkylning, berättade Liu till Live Science.
Vid kroppstemperatur pumpar celler kemikalier in och ut ur sina membran för att bibehålla låga koncentrationer av natrium och höga koncentrationer av kalium i cellen. Men kalla celler kan inte pumpa effektivt. Kemikalier läcker över sina membran, och med tiden sväller de läckande cellerna upp med överskott av vätska och upprätthåller allvarliga skador. Konserveringslösningar hjälper till att försena denna skada genom att hålla natrium- och kaliumnivåer i kontroll. Dessa lösningar kan också innehålla näringsämnen och antioxidanter för att upprätthålla cellerna och dämpa inflammation, sade Liu. I kombination med is och en kylare kan konserveringslösningar hålla organ livskraftiga i timmar efter skörden.
Vid temperaturer mellan 32 och 39 grader Fahrenheit (0 och 4 grader Celsius) faller cellmetabolismen till cirka 5% av dess normala hastighet, så vävnader bränner genom sina energilagor mycket långsammare och kräver mindre syre för att upprätthålla sin aktivitet. På grund av detta hjälper kylning av ett organ till att försena början av ischemi, ett tillstånd där vävnad skadas eller fungerar på grund av brist på syre.
Att sätta ett organ på is sträcker också cellernas begränsade energilagrar och förhindrar skadliga metaboliter från att bygga upp och bryta ner organets vävnader, enligt en rapport från 2018 i Yale Journal of Biology and Medicine.
Bland vanligt transplanterade organ förlorar hjärtan livskraften snabbast när de förvaras i en svalare, säger Dr. Brian Lima, chef för hjärttransplantationskirurgi vid North Shore University Hospital i Manhasset, New York. Helst bör ett hjärta inte placeras i statisk kylförvaring i mer än 4 till 6 timmar, sade han. Vid 4-timmarsmarkeringen börjar hjärtcellfunktionen att misslyckas och sannolikheten för att organet kommer att fungera i sin mottagare ökar dramatiskt. Transplantat organfel, känd som primär transplantat dysfunktion, är den "mest fruktade komplikationen" i samband med solida organtransplantationer, sade Lima.
"Hjärtat ... är mest känsligt för brist på blodflöde," sade Lima. "Njurarna är å andra sidan väldigt motståndskraftiga." Skördade njurar kan förbli livskraftiga i 24 till 36 timmar i kylförvaring, längre än något av de andra topp-fyra transplantationsorganen. Lungorna kan förbli livskraftiga i 6 till 8 timmar, sade Lima, och levern kan förbli i kylförvaring i cirka 12 timmar, enligt Dr. James Markmann, chef för avdelningen för transplantation vid Massachusetts General Hospital i Boston.
En alternativ metod
Även om det är lågteknologiskt erbjuder iskylningsmetoden "ett enkelt och effektivt sätt att bevara och transportera organ" och har använts sedan 1960-talet, enligt Liu-rapporten 2018. Men tekniken är inte utan nackdelar. Inte bara förlorar organ i kylförvaring livskraften inom timmar, utan också, läkare har inget sätt att bedöma kvaliteten på de kylda organen, sade Liu.
I grund och botten kan inget objektivt test säga kliniker om ett organ fortfarande är funktionsdugligt när organet i fråga sitter i en frigid kylare och dess cellmetabolism avvecklas i långsam rörelse. Ett alternativ till kylförvaring tillåter dock läkare att kontrollera organ innan de transplanteras, och detta alternativ kan snart bli vanligare, sa experter till Live Science.
Denna alternativa konserveringsmetod, så kallad perfusion, innebär att man skar upp ett skördat organ till en maskin som pumpar syre- och näringsrik vätska genom organets vävnader, som hjärtat skulle göra i kroppen, enligt 2018-rapporten från Yale journal. . Medan det är anslutet till maskinen, när organet metaboliserar energi och producerar avfall, fylls det på sockerlagren och dess giftiga metaboliter rensas bort.
Innan kirurger skördar ett organ slutar givarens hjärta att pumpa syresatt blod till vävnaden under en tid, vilket orsakar skador. Att placera ett organ i en perfusionsmaskin kan ge vävnaden en chans att återhämta sig, sade Markmann. Dessutom kan kliniker kontrollera organet genom att övervaka nivåerna av metaboliten laktat som cirkulerar i systemet, sade han. Celler använder laktat under normala metaboliska funktioner, så "om organet fungerar bra, bör laktatet rensas" med tiden, sade Markmann.
"Laktat är i bästa fall ett grovt metaboliskt mått på perfusion genom kroppen," men det fungerar fortfarande som en överlägsen åtgärd jämfört med ögongloppet ett nästan fruset organ före transplantation, tillade Lima. Beroende på organet kan läkare också bedöma vävnadens hälsa genom andra mätningar, till exempel produktion av gallan i levern.
Kan perfusion hålla organ friska längre?
Vissa perfusionssystem kräver fortfarande att organet kyls ned som en del av konserveringsprocessen, men under de senaste 20 åren har flera forskningsgrupper valt att hålla orgelet varmt och översvämma vävnaderna med varmt blod. Vid temperaturer mellan 20 och 33 ° C, fungerar isolerade organ mycket som de gör i människokroppen. Både kalla och varma perfusionssystem används nu i stor utsträckning i Australien och Storbritannien, men de flesta av dessa enheter finns kvar i kliniska prövningar i USA.
Ett perfusionssystem i USA gjorde dock rubriker i december som en del av en första hjärttransplantation av sitt slag. Läkare vid Duke University Medical Center i Durham, North Carolina, tog bort patientens hjärta efter att det slutat slå; de "reanimerade" då orgeln med hjälp av ett varmt perfusionssystem, rapporterade CNN. Vanligtvis avlägsnas hjärtan från hjärndöda givare innan organet slutar slå, för att undvika omfattande skador från ischemi. Läkare tidigare "reanimerade" barnhjärtan i USA, men de hade aldrig använt systemet på ett vuxet organ. I länder som har använt systemet i flera år har givarpölen med acceptabla hjärtan expanderat med cirka 30% till 40%, sade Lima.
"Om det översätts till USA talar vi om stora, stora siffror," tillade han.
Dr Jacob Schroder, en assistentprofessor i Duke University i kirurgi och en av kirurgerna som hjälpte till att utföra landmärkehjärttransplantation, berättade för CNN att användning av systemet över hela landet kan "öka givarpoolen och antalet transplantationer med 30%."
Även om givarpoolen kan expandera, skulle organens tillstånd förbättras? Än så länge har få studier direkt jämfört svalare lagring med perfusion, men anekdotiskt verkar perfusionerade organ i allmänhet gå bättre.
Till exempel, i en försök som jämför ett perfusionssystem med lever med standard kylförvaring, avvisade läkarna endast 16 perfuserade lever, jämfört med 32 som kom från kylare, och de perfuserade organen verkade mindre skadade, enligt Stat News. Liu sa att han har observerat liknande trender i sitt eget arbete med lungtransplantationer. Liu och hans kollegor utvecklade ett "ex vivo perfusionssystem" för lungor; före introduktionen transplanterades färre än 20% av givar lungorna på hans universitets sjukhus. Nu har programmet utvidgat sin verksamhet med 70%, "med utmärkta resultat", enligt en rapport från 2018.
Vanligtvis förblir lungorna kopplade till perfusionssystemet i 4 till 6 timmar, men experimentellt arbete med djurorgan tyder på att perfuserade lungor kan förbli livskraftiga i 12 till 18, och kanske till och med upp till 36 timmar, sa Liu. Han tillade att en dag skulle ett organ kunna perfunderas i veckor. Ju längre tid som organ kan lämnas kvar på systemet, desto mer tid kommer kliniker att behöva reparera skadad vävnad. Liu och hans kollegor undersöker nu hur inflammation och celldöd kan hämmas i perfuserade lungor. Men i framtiden kanske organ kan behandlas med gen- eller stamcellsterapier medan de är anslutna till en perfusionsmaskin, sade han.
För tillfället reser emellertid de flesta donerade organ fortfarande till sina mottagare inbäddade i kylare av smältande is. Varför?
"Helt ärligt, hinderet med är kostnaden," sa Lima. Ett perfusionssystem för ett enda organ kan kosta flera tusen dollar, vilket uppenbarligen överträffar priset på en standardkylare, sade han. Eftersom få studier har jämfört perfusion med standard kylförvaring, finns det ingen "jordskakningsdata" som kan övertyga sjukhusen att byta landsomfattande.
Men med tanke på den nyligen framgången för hertigtransplantationen, sa Lima att perfusion snart kan bli standarden på vård.
