Wie sich die Vitrifikationsverfahren im Laufe der Zeit entwickelt haben

Es ist verlockend, die Kryoprotektivlösung als etwas Feststehendes zu betrachten, als ein einziges cleveres Rezept, das die Vitrifikation erst möglich macht. Das ist aber keineswegs der Fall. Das heute verwendete medizinische Frostschutzmittel ist das jüngste Ergebnis einer rund vierzigjährigen Entwicklungsgeschichte – einer Reihe von Lösungen, bei denen jede Generation dazu diente, einen bestimmten, genau benannten Mangel ihrer Vorgängerin zu beheben. Sich mit dieser Geschichte auseinanderzusetzen, ist der beste Weg, um zu verstehen, warum die aktuellen Lösungen so aussehen, wie sie aussehen, und warum niemand behauptet, sie seien das letzte Wort.

Der rote Faden, der sich durch die ganze Geschichte zieht, ist ein einziger Konflikt. Für die Vitrifikation braucht man eine ausreichend hohe Konzentration an Kryoprotektivum, um die Eisbildung zu verhindern. Aber Kryoprotektiva sind giftig, und je mehr man davon verwendet, desto stärker vergiftet man das Gewebe, das man eigentlich retten will. Jede Generation in dieser Forschungslinie ist ein weiterer Versuch, den Vorteil der Eisverhinderung zu nutzen, ohne den vollen Preis in Form von Toxizität zahlen zu müssen.

1984: Fahy schlägt die Verglasung vor

Der konzeptionelle Durchbruch gelang dem Kryobiologen Greg Fahy, der 1984 vorschlug, für die Kryokonservierung statt kontrollierten Einfrierens die Vitrifikation zu nutzen. Die Idee war, den aussichtslosen Kampf gegen Eiskristalle ganz aufzugeben. Anstatt zu versuchen, Gewebe so schonend einzufrieren, dass die Kristalle klein blieben, sollte man es mit genügend Kryoprotektivum versetzen und so schnell abkühlen, dass das Wasser gar nicht erst kristallisierte, sondern sich stattdessen in Glas umwandelte. Das ist der entscheidende Unterschied, um den es in diesem Forschungsgebiet nach wie vor geht – und der sich in der Unterscheidung zwischen Einfrieren und Vitrifikation zeigt. Der Vorschlag formulierte das Problem neu: nicht mehr „Wie machen wir Eis harmlos?“, sondern „Wie vermeiden wir Eis und überstehen dabei die chemischen Prozesse, die das ermöglichen?“ – und genau diese chemischen Prozesse stehen seitdem im Mittelpunkt der Forschung.

Die Generationen, von denen jede den Fehler der vorherigen behebt

Was dann folgte, war eine Entwicklung, die man wie ein Changelog lesen kann – jede Version behebt einen Fehler.

• Frühe Ein-Wirkstoff-Mischungen. Die ersten Versuche stützten sich stark auf einen einzigen Kryoprotektivstoff. Damit ließen sich zwar kleine Proben vitrifizieren, doch in den für größeres Gewebe erforderlichen Konzentrationen waren sie zu toxisch.
• DMSO mit Amiden und Propylenglykol. Durch die Kombination der Wirkstoffe kann jeder einzelne einen Teil der Aufgabe bei einer geringeren, weniger toxischen Dosis übernehmen. Lösungen auf DMSO-Basis in Verbindung mit Amiden wie Acetamid oder Formamid sowie Propylenglykol stellten einen echten Fortschritt dar. Formulierungen dieser Art, darunter auch die als VS41A und VS55 bekannten, konnten beträchtliche Gewebemengen vitrifizieren.
• Ethylenglykol anstelle von Propylenglykol. Propylenglykol brachte seine eigenen Probleme hinsichtlich Toxizität und Kühlung mit sich. Durch den Wechsel zu Ethylenglykol konnten diese Probleme verringert werden, während die Frostschutzwirkung erhalten blieb.
• Polymere wurden hinzugefügt. Große Polymermoleküle wurden eingebracht, um das Glas zu stabilisieren und die Eisbildung zu unterdrücken, ohne noch mehr der kleinen giftigen Stoffe hinzuzufügen.
• Eisblockierende Moleküle. Spezielle Moleküle, die die Eiskeimbildung direkt hemmen, ermöglichen es, dieselbe Verglasung bei niedrigeren Gesamtkonzentrationen zu erreichen – was wiederum Eisbeständigkeit ohne zusätzliche Toxizität gewährleistet.
• Erhöhte Tonizität der nicht in die Zellen eindringenden Bestandteile. Eine subtile, aber wichtige Verbesserung. Die Erhöhung der Tonizität jener Teile der Lösung, die nicht in die Zellen gelangen, trug dazu bei, Kälteschäden – eine Form der Kälte-induzierten Schädigung, die nichts mit Eis zu tun hat – entgegenzuwirken und verbesserte so die Toleranz des Gewebes gegenüber extremer Kälte.

Keine dieser Entwicklungen war für sich genommen eine Revolution. Zusammen sind sie der Grund dafür, dass ein modernes Kryoprotektivum großes Gewebe in Konzentrationen vitrifizieren kann, die frühere Lösungen nicht überstanden hätten.

Die aktuellen Lösungen für den menschlichen Gebrauch: VM1 und M22

Diese Entwicklungslinie mündet in die beiden Lösungen, die heute für die Kryokonservierung von Menschen verwendet werden. VM1 wird von Tomorrow.bio dem Cryonics Institute verwendet; M22 wird von Alcor eingesetzt. Beide sind direkte Nachfolger von Fahys Ansatz und berücksichtigen die oben genannten, hart erkämpften Erkenntnisse: Mischungen aus mehreren Wirkstoffen zur Verteilung der toxischen Belastung, eisblockierende Moleküle und die sorgfältige Abstimmung der nicht-penetrierenden Komponenten. Sie sind nicht austauschbar, und die Unterschiede zwischen den Lösungen der Anbieter sind ein Grund dafür, warum die Wahl eines Anbieters eine echte Entscheidung und keine reine Formalität ist.

Ein Tool verdient besondere Erwähnung, weil es zeigt, wie sich das Fachgebiet entwickelt hat. Früher bedeutete die Entwicklung dieser Lösungen, die Toxizität durch Versuch und Irrtum zu testen – ein teurer und langwieriger Weg, der oft zum Scheitern führte. Die Einführung einer Metrik zur Toxizitätsvorhersage, oft als qv* bezeichnet, ermöglichte es Forschern, die Toxizität einer potenziellen Lösung im Voraus abzuschätzen und auf weniger schädliche Formulierungen hinzuarbeiten, noch bevor Gewebe überhaupt in Berührung kam. Toxizität von einer Überraschung in eine Zahl zu verwandeln, die man optimieren kann, ist genau die Art von Reifeprozess, die ein Fachgebiet voranbringt – derselbe Impuls, der auch den Fortschritt des Fachgebiets im weiteren Sinne antreibt.

Der Beweis, dass es über die Kryonik hinaus funktioniert

Man könnte zu Recht fragen, ob diese ganze Methode tatsächlich etwas bewahrt oder nur streng klingt. Die beruhigende Antwort lautet, dass die Vitrifikation an echtem Gewebe außerhalb des Kryonik-Kontexts nachgewiesen wurde. Vitrifizierte und wieder erwärmte Proben von Herzklappen, Hornhaut, Blutgefäßen und Hirnschnitten haben ihre Struktur und in einigen Fällen auch ihre Funktion beibehalten. Das sind zwar keine ganzen Menschen, und ehrlich gesagt bleibt die Skalierung von einem Schnitt auf einen ganzen Körper schwierig – ein Punkt, der durch die technischen Herausforderungen bei der hochwertigen Konservierung deutlich wird. Aber sie beweisen, dass der Kernschritt – Wasser durch Frostschutzmittel zu ersetzen und in Glas zu verwandeln – die biologische Struktur tatsächlich intakt hält.

Die erste Person und was die Geschichte damit andeutet

Der Meilenstein für den Menschen kam im Jahr 2000, als FM-2030, der Futurist und transhumanistische Denker, als erster Mensch vitrifiziert statt einfach eingefroren wurde. Dieser Moment ist Teil eines längeren Zeitraums, der in einer kurzen Geschichte der Kryonik beschrieben wird, und er markiert den Punkt, an dem die oben beschriebene Chemie aufhörte, nur ein Laborversuch zu sein, und erstmals bei Menschen angewendet wurde.

Die tiefere Erkenntnis aus dieser Geschichte ist die, die man sich zu Herzen nehmen sollte. Die Lösungen wurden von Generation zu Generation verbessert, wobei jede einzelne einen konkreten Mangel behob. Das bedeutet, dass die heutigen Lösungen kein fertiges Produkt sind, das von oben herab überliefert wurde. Sie sind die derzeit beste Version eines Rezepts, das sich seit vierzig Jahren ständig verbessert hat, und es gibt keinen Grund anzunehmen, dass VM1 und M22 das Ende der Entwicklung darstellen.

Das medizinische Frostschutzmittel, das einen Menschen heute verglast, ist keine Erfindung, sondern eine Weiterentwicklung, bei der jede Generation die Giftigkeit oder das Eis, das die vorherige Generation besiegt hat, ausbessert.

Das ist eine sowohl demütigende als auch ermutigende Ausgangslage. Demütigend, weil es bedeutet, dass die derzeitigen Lösungen von Natur aus unvollkommen sind. Ermutigend, weil ein Konzept, das sich seit vier Jahrzehnten stetig verbessert hat, genau die Art von Sache ist, die sich immer weiter verbessert – und jede Verbesserung erhöht die Chancen für die Menschen, die davon profitieren.

Weiterführende Literatur

• Das medizinische Frostschutzmittel, auch bekannt als Kryoprotektivum
• Der Unterschied zwischen Einfrieren und Vitrifikation
• Eine kurze Geschichte der Kryonik
• Das Fachgebiet voranbringen