Wenn die Vitrifikation das Ziel ist – also die Umwandlung eines Körpers in stabiles Glas statt in zerstörerisches Eis –, dann sind Kryoprotektiva der Trick, der das physikalisch erst möglich macht. Sie sind, fast im wörtlichen Sinne, medizinisches Frostschutzmittel. Und wie viele der wichtigsten Hilfsmittel auf diesem Gebiet bringen sie einen deutlichen Kompromiss mit sich. Das gesamte Verfahren ist darauf ausgelegt. Das, was das Gewebe vor Eis schützt, ist in der falschen Dosierung auch giftig für es. Kryoprotektiva zu verstehen bedeutet, zu verstehen, wie mit diesem Spannungsfeld umgegangen wird.
Warum Eis um jeden Preis gestoppt werden muss
Fang mit dem Feind an. Wenn Wasser im Körper gefriert, verursacht es gleich zwei Arten von Schäden. Der erste ist mechanischer Natur: Während die Eiskristalle wachsen, quetschen sie die Zellen um sich herum zu immer schmaler werdenden Kanälen aus nicht gefrorener Flüssigkeit zusammen und verformen dabei die feinen Strukturen im Inneren. Der zweite ist chemischer Natur: Wenn reines Wasser ausfriert, wird alles, was darin gelöst war, in die verbleibende, schrumpfende Flüssigkeit gepresst, wodurch sich Salze und gelöste Stoffe so lange anreichern, bis diese Flüssigkeitsblase giftig wird. Schon jeder einzelne dieser Effekte wäre schlimm genug. Zusammen machen sie das gewöhnliche Gefrieren zu einer zuverlässigen Methode, genau jene Strukturen zu zerstören, die festlegen, wer du bist.
Kryoprotektiva sorgen dafür, dass sich gar kein Eis bildet. Anstatt zu gefrieren, geht das Gewebe in einen glasartigen, vitrifizierten Zustand über, wodurch seine Struktur erhalten bleibt.
Was Kryoprotektiva eigentlich sind
Ein Kryoprotektivum verhält sich ähnlich wie das Frostschutzmittel, das man in den Kühler eines Autos füllt: Es löst sich in Wasser auf und senkt die Temperatur, bei der das Wasser sonst kristallisieren würde. Die in der Kryonik verwendeten medizinisch zugelassenen Varianten – wie Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO) – werden genau für diesen Zweck ausgewählt und gemischt. Sie lassen sich in zwei Gruppen einteilen, die als Team zusammenwirken:
- Penetrationsmittel durchdringen die Zellmembran und verhindern, dass sich im Inneren der Zelle Eis bildet.
- Nicht-penetrierende Mittel bleiben außerhalb der Zelle und verhindern, dass sich Eis in den Zwischenräumen zwischen den Zellen bildet, wo es normalerweise zuerst auftritt. Penetrierende Mittel durchdringen die Zellmembran und ersetzen einen Großteil des Wassers im Zellinneren, wodurch die Eisbildung innerhalb der Zelle selbst verhindert wird.
Sie werden aus einem Grund zusammen eingesetzt, der sich als entscheidend herausstellt. Da die nicht-penetrierenden Wirkstoffe den einfachen, eher eisbildenden Bereich außerhalb der Zellen übernehmen, müssen die penetrierenden Wirkstoffe im Inneren der Zellen nicht auf so hohe Konzentrationen gebracht werden. Und die Konzentration ist, wie wir gleich sehen werden, das eigentliche Problem.
Der Kompromiss bei der Toxizität – das ist die eigentliche Geschichte
Genau darin liegt die Herausforderung, die den gesamten Bereich der Kryoprotektion prägt. Um eine zuverlässige Vitrifikation zu erreichen, muss ein Großteil des Körperwassers durch Kryoprotektivum ersetzt werden. Doch je höher die Konzentration, desto toxischer wirkt das Mittel auf das Gewebe. Verwendet man zu wenig, bildet sich Eis. Verwendet man zu viel, kommt es zu chemischen Schäden. Die Kunst besteht darin, den goldenen Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen zu finden.
Zwei Faktoren machen das Ganze möglich. Erstens hängt die Toxizität stark von der Temperatur ab: Ein Wirkstoff, der bei Wärme Gewebe schädigen würde, ist bei Kälte weitaus schonender. Deshalb werden die Kryoprotektiva schrittweise in steigender Konzentration zugegeben, während der Körper gleichzeitig gekühlt wird, wodurch die Toxizität in jedem Schritt gering gehalten wird. Zweitens kann die richtige Kombination von Wirkstoffen die Gesamttoxizität der Mischung unter das Niveau senken, das ein einzelner Wirkstoff in voller Stärke verursachen würde. Die richtige Mischung zu finden, ist ein aktuelles Forschungsthema, und ihre Verbesserung ist einer der konkreten Hebel für die zukünftige Qualität der Wiederbelebung.
Die Lösungen selbst werden immer besser
Das heute verwendete Kryoprotektivum ist keine einzelne Chemikalie, sondern ein sorgfältig abgestimmter Cocktail – das Ergebnis jahrzehntelanger Weiterentwicklung. Der Kryobiologe Greg Fahy entwickelte seine Vitrifikationslösungen in mehreren Generationen. Jede davon behob einen Fehler der vorherigen. Frühe Ein-Wirkstoff-Mischungen wurden durch Mischungen aus DMSO mit Amiden und Propylenglykol abgelöst. Ethylenglykol ersetzte dann die giftigeren Bestandteile. Als Nächstes kamen Moleküle zum Einsatz, die die Kristallbildung bereits bei niedrigeren Konzentrationen unterbinden. Im letzten Schritt wurde das Gleichgewicht der nicht-penetrierenden Komponenten angepasst, um Kälteschäden entgegenzuwirken. Die derzeit für den Einsatz am Menschen verwendeten Mittel stehen am Ende dieser Entwicklungskette. Tomorrow.bio das Cryonics Institute eine optimierte Version einer Lösung namens VM1. Sie besteht zu etwa gleichen Teilen aus Dimethylsulfoxid und Ethylenglykol. Alcor nutzt eine Lösung namens M22. Die beiden stellen unterschiedliche Kompromisse zwischen Kosten und Dokumentation dar. VM1 ist pro Fall deutlich günstiger. Forscher verfügen sogar über einen prädiktiven Toxizitätswert, den sogenannten qv*, der dabei hilft, Mischungen zu entwickeln, die zuverlässig vitrifizieren und dabei den geringsten Schaden anrichten. Der Punkt ist, dass „das Kryoprotektivum“ keine feststehende Größe ist, sondern eine sich verschiebende Grenze, und jede Verbesserung erhöht direkt die Qualität der Konservierung – das ist das Ziel, um das Fachgebiet voranzubringen.
Das offene Problem, das niemand verschweigt
Es gibt da noch einen weiteren wichtigen Aspekt. Bei kryogenen Temperaturen sind Kryoprotektiva überhaupt nicht toxisch, da keine Reaktionen stattfinden; alles ist angehalten. Die Toxizität ist ein Problem beim Wiedererwärmen. Beim Wiedererwärmen müssten die Substanzen schnell und gründlich entfernt werden, um das Gewebe nicht zu schädigen. Das gut hinzubekommen, ist eine Herausforderung für die zukünftige Medizin, die sich mit der Wiederbelebung befassen würde. Das ist heute noch kein lösbares Problem. Wir sagen das ganz offen, denn eine Wiederbelebung ist derzeit nicht möglich, und so zu tun, als wäre es anders, wäre unehrlich. Die Hoffnung ist, dass eine Zivilisation, die in der Lage ist, die ursprüngliche Todesursache zu beheben, auch eine kontrollierte Wiedererwärmung bewältigen kann und dass die erhaltene Struktur ihr eine Grundlage bietet, auf der es sich zu arbeiten lohnt.
Kryoprotektiva sind der Kompromiss, der das Herzstück der Kryonik bildet: gerade genug medizinisches Frostschutzmittel, um Eisbildung zu verhindern, langsam genug verabreicht und kalt genug, um unterhalb der Schwelle zu bleiben, ab der die Heilung zum Schaden wird.
Genau dieser Spagat – mehr Frostschutzmittel bei geringerer Toxizität – steht im Mittelpunkt vieler laufender Forschungsprojekte bei Tomorrow.bio anderswo. Jede Verbesserung der Mischung bedeutet eine direkte Verbesserung dessen, wie gut die Struktur eines Menschen den Transport bei -196 °C übersteht.