Hier ist eine wirklich heikle Tatsache darüber, wie wir Patienten heute einlagern: Die Temperatur, bei der die Lagerung kostengünstig und zuverlässig ist – -196 °C –, ist kälter als die Temperatur, die das Gewebe am besten schützen würde. Wir kühlen Patienten nicht so stark herunter, weil es die Physik so verlangt. Wir tun es, weil flüssiger Stickstoff nun einmal so kalt ist – und flüssiger Stickstoff ist das, was wir haben. In diesem Artikel geht es um die Kluft zwischen dem, was praktisch ist, und dem, was optimal wäre, sowie um die experimentelle Lagerungsmethode, die versucht, diese Lücke zu schließen.
Tomorrow.bio forscht Tomorrow.bio nach Möglichkeiten, die Konservierung zu verbessern. Die ersten Schritte sind bereits ausgereift: SST-Teams führen das einzige verfügbare professionelle Ganzkörper-Kryoprotektionsverfahren vor Ort durch, modernste Kryoprotektiva begrenzen Zellschäden während der Abkühlung und flüssiger Stickstoff sorgt für eine sehr stabile Lagerungsumgebung. Aber es gibt noch Raum für weitere Verbesserungen, und eine offene Frage ist die Lagertemperatur selbst.
Das Problem ist nicht der Speicher, sondern der Weg zum Speicher
Die meisten kryokonservierten Menschen werden in flüssigem Stickstoff bei -196 °C gelagert. Das Verfahren ist kostengünstig, nachhaltig, verbraucht keinen Strom und ist einfach zu warten – Nachfüllungen sind nur etwa einmal pro Woche nötig. Wo liegt also das Problem?
Während der Kryokonservierung gehen die Patienten bei etwa -130 °C in einen glasartigen, vitrifizierten Zustand über. Danach werden sie weiter auf -196 °C abgekühlt – die natürliche Temperatur von flüssigem Stickstoff –, wo ihre Temperatur dann konstant bleibt. Das Problem ist nicht der Aufenthalt bei -196 °C. Es ist der Übergang von -130 °C auf -196 °C.
Ganz offen gesagt: Bei -196 °C lässt sich nicht wesentlich besser konservieren als bei -130 °C. Flüssigstickstoff hat einfach zufällig eine Temperatur, bei der die Kryokonservierung funktioniert; wenn überhaupt, wäre es praktischer, wenn seine Temperatur näher am Glasübergangspunkt läge, aber immer noch darunter. Eine gleichmäßige Abkühlung minimiert die thermische Belastung, während das Gewebe die Vitrifikationstemperatur unterschreitet, und wenn man die Temperatur direkt nach der Vitrifikation eine Weile nahe am Glasübergangspunkt hält, kann sich die Spannung abbauen, bevor die Abkühlung fortgesetzt wird. Eine Abkühlung bis auf -196 °C führt dagegen dazu, dass das Gewebe bricht. Diese Brüche zerstören zwar nicht unbedingt die entscheidenden neuroanatomischen Informationen, erschweren aber die spätere Wiederherstellung, was sie zu einer der echten technischen Herausforderungen für eine hochwertige Konservierung macht.
Warum das Glas beim Abkühlen Risse bekommt
Der Mechanismus basiert auf ganz normaler Physik. Moleküle schwingen, und diese Schwingung legt bei jeder Temperatur ein charakteristisches Volumen fest; kühlt man einen Gegenstand ab, zieht er sich zusammen. Das ist thermische Kontraktion. Wenn ein verglaster Körper abkühlt, kühlt sein wärmeres Inneres ab und schrumpft etwas schneller als seine äußere Hülle. [1] Innen und Außen sind miteinander verbunden, sodass die unterschiedliche Schrumpfung Spannungen aufbaut. Ab einem bestimmten Punkt baut der glasartige Festkörper diese Spannung auf die einzige Weise ab, die einem spröden Festkörper möglich ist: durch Bruch. Das Ausmaß hängt vom Umfang ab. Ein paar Milliliter Gewebe oder ein einzelner Embryo erreichen schnell genug das Gleichgewicht, sodass sich kein nennenswerter Temperaturgradient bildet; daher bleiben solche Proben bis auf -196 °C intakt. Ein menschlicher Körper weist stundenlang einen Temperaturgradienten über Dutzende von Zentimetern auf, weshalb es bei uns zu Brüchen kommt und nicht im Labor. Je tiefer du unter die Glasübergangstemperatur gehst, desto mehr Schrumpfungsunterschiede sammeln sich an.
Lagerung bei mittlerer Temperatur: Die Kühlung früher beenden
Die Lösung ergibt sich direkt aus der Diagnose. Wenn der Großteil der Bruchbildung auf dem Weg von -130 °C bis hinunter auf -196 °C stattfindet, dann kühle langsam durch den Glasübergang hindurch und halte früher an, sodass der Patient näher am Vitrifikationspunkt bleibt. Genau das macht die „Intermediate Temperature Storage“ (ITS) – benannt nach einer Lagertemperatur, die irgendwo zwischen Vitrifikation und flüssigem Stickstoff liegt, etwa bei -140 °C. Die thermische Belastung ist geringer, wenn die Abkühlung über den Glasübergang hinaus früher gestoppt wird, und frühere Daten zeigen, dass Schäden umso wahrscheinlicher sind, je schneller das Gewebe abgekühlt wurde. [2] Theoretisch ist ITS die bessere Konservierungsmethode.
Warum ist das dann nicht Standard? Eine ehrliche Kosten-Nutzen-Analyse
Denn eine bessere Erhaltung ist nicht die einzige Variable, und genau hier gewinnt die Kalibrierung gegenüber der Begeisterung die Oberhand. ITS wird außerhalb der Forschung nicht häufig eingesetzt, und zwar aus eher praktischen als theoretischen Gründen, die sich zudem noch verstärken:
- Deutlich weniger Stickstoffreserve. Ein herkömmlicher Dewar bei -196 °C wird fast voll gehalten – über 1000 Liter –, was ausreicht, um die Konservierung monatelang aufrechtzuerhalten, bevor er leer wird. Das wöchentliche Nachfüllen ist Routine, keine Frist. Ein typischer ITS-Dewar fasst am Boden nur etwa 120 Liter, was höchstens für etwa 5 Tage bei -140 °C reicht. Weniger Reserve bedeutet weniger Spielraum für Fehler.
- Höherer Verbrauch, geringeres Fassungsvermögen. ITS-Dewars verbrauchen etwa doppelt so viel flüssigen Stickstoff wie ihre kälteren Pendants. Außerdem bieten sie nur etwa ein Drittel des Fassungsvermögens. Ein Großteil des Innenraums muss leer bleiben, da dies der Dampfraum ist, in dem der Patient sitzt. Wie Standard-Dewars können sie automatisch nachgefüllt werden, benötigen aber mehr Ressourcen und häufigere Kontrollen, um eine stabile Temperatur aufrechtzuerhalten.
- Weitere Möglichkeiten, von der Solltemperatur abzuweichen. Das Einhalten einer präzisen Zwischentemperatur ist naturgemäß schwieriger, als ein Gefäß auf dem festen Siedepunkt von Stickstoff stehen zu lassen. Potenziell schädliche Temperaturschwankungen sind wahrscheinlicher, was ITS in seiner derzeitigen Bauweise zur weniger zuverlässigen und weniger sicheren Option macht.
Diese Nachteile lassen sich zwar beheben, doch ihre Beseitigung treibt die Wartungskosten für die Speicherkapazitäten stark in die Höhe. Die Branche steht also vor einem echten Zielkonflikt. Das Verfahren reduziert zwar grundsätzlich das Risiko von Rissbildungen, erhöht in der Praxis derzeit jedoch das Risiko von Temperaturschwankungen. Ein Temperaturausbruch gefährdet den gesamten Patienten, nicht nur eine Bruchfläche. Vorerst haben klassische Dewar-Gefäße bei -196 °C die Nase vorn. Sie sind stabil und verfügen über einen riesigen Stickstoffpuffer. Über ein Jahrhundert hinweg ist nicht der geringste theoretische Schaden das wichtigste Kriterium. Es ist die geringste Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Versagens.
Die Lagerung bei mittlerer Temperatur geht mit weniger Gewebeschäden einher, bietet aber auch weniger Spielraum im Katastrophenfall – und solange dieser Spielraum nicht größer wird, ist der sicherste Ort für einen Patienten immer noch die Tiefkühlung, die lediglich nachgefüllt werden muss.