Bei der Perfusion mit Kryoprotektiva wird keineswegs das gesamte Wasser im Körper ersetzt. Stattdessen wird eine konzentrierte Lösung kontrolliert durch das Gefäßsystem geleitet und so im Gewebe verteilt.
Ziel ist es, die Eisbildung während der Abkühlung zu unterdrücken und zugleich osmotischen Stress, toxische Wirkungen und mechanische Schäden zu begrenzen.
Warum Kryoprotektiva nötig sind
Kühlt man biologisches Gewebe ohne ausreichenden Schutz, bildet sich in aller Regel Eis. Dabei werden Wasser und gelöste Stoffe umverteilt, das Gewebe verformt sich, und sowohl Zellmembranen als auch extrazelluläre Strukturen werden geschädigt.
Kryoprotektiva hemmen die Eisbildung und ermöglichen eine Vitrifikation bei technisch erreichbaren Abkühlungsraten.
Bei der Vitrifikation erstarrt das Gewebe amorph und bildet keine Eiskristalle. Vitrifikation bezeichnet jedoch lediglich einen physikalischen Zustand. Sie belegt nicht, dass jede einzelne Zelle überlebensfähig bleibt.
Eine wichtige wissenschaftliche Grundlage lieferte 1984 eine in der Fachzeitschrift Cryobiology veröffentlichte Arbeit zur Vitrifikation.
Zugang, Auswaschung und Kreislauf
Welchen chirurgischen Zugang das Team wählt, hängt vom jeweiligen Protokoll und vom Zustand des Patienten ab. Große Blutgefäße werden kanüliert, damit die Perfusionslösung zugeführt und wieder abgeleitet werden kann.
Zunächst zirkuliert eine kalte Trägerlösung. Sie verdrängt das Blut, stabilisiert pH-Wert und Volumen und bereitet die Gefäße auf das Kryoprotektivum vor.
Die Perfusion beginnt allerdings nicht unter idealen Ausgangsbedingungen. Bereits vorhandene Gerinnsel, Ödeme, arteriosklerotische Veränderungen, Verletzungen und nach dem Tod eingetretene Gefäßschäden beeinflussen den weiteren Verlauf.
Druck, Durchfluss und Temperatur müssen gemeinsam überwacht werden. Höherer Druck kann die Verteilung verbessern; zu hoher Druck verschlimmert jedoch Ödeme oder beschädigt die Gefäße.
Warum die Konzentration langsam steigt
Wird das Gewebe unvermittelt einer hohen Konzentration des Kryoprotektivums ausgesetzt, entstehen starke osmotische Gefälle. Die Zellen schrumpfen dann rasch, und das Gewebe kann auch ohne Eisbildung Schaden nehmen.
Deshalb sehen die Protokolle vor, die Konzentration bei niedriger Temperatur schrittweise zu erhöhen. Niedrige Temperaturen verlangsamen chemische Reaktionen und können dadurch die toxische Wirkung begrenzen, erhöhen jedoch zugleich die Viskosität und beeinflussen den Durchfluss.
In Proben aus dem Zufluss und dem venösen Rücklauf lässt sich die Konzentration refraktometrisch bestimmen. Nähern sich die Messwerte in Zu- und Rücklauf einander an, deutet dies darauf hin, dass die Perfusionslösung im Kreislauf annähernd die Zielkonzentration erreicht hat.
Das belegt jedoch nicht, dass in allen Geweben eine gleichmäßige Konzentration erreicht wurde. Die Lösung erreicht vor allem gut durchblutete Bereiche; geschädigte oder verschlossene Gefäße können ihre Verteilung im Gewebe behindern.
Der Endpunkt bleibt eine Schätzung
Die Perfusion endet, wenn die festgelegten Zielwerte für Konzentration, Temperatur, Druck, Durchfluss und Einwirkzeit erreicht sind oder eine weitere Zirkulation voraussichtlich keine messbare Verbesserung mehr bringt.
Die Messwerte belegen keine vollständige Vitrifikation des Patienten. Sie erlauben lediglich Rückschlüsse darauf, in welchem Maß und wie gleichmäßig das Gewebe vor Eisbildung geschützt ist.
Tomorrow.bio beginnt nach eigenen Angaben bereits am Einsatzort mit der Kryoprotektion, also noch vor dem Transport zum Langzeitlager. In der öffentlichen Verfahrensbeschreibung heißt es, das Kryoprotektivum werde nach der Stabilisierung schrittweise zugeführt.
Nach öffentlich zugänglichen Angaben verwendet das Unternehmen außerdem eine optimierte VM-1-Rezeptur. Ein aktueller Forschungsbericht der EBF beschreibt laufende Validierungsversuche an Modellen, die eine postmortale Ischämie nachbilden.
Was trotzdem schiefgehen kann
Ein unzureichender Gefäßzugang kann dazu führen, dass ganze Körperregionen nicht ausreichend versorgt werden. Kryoprotektiva können toxisch wirken. Temperatur- und Konzentrationsgefälle schädigen Gewebe.
Dass solche Zielkonflikte bestehen, bedeutet nicht, dass die Perfusion grundsätzlich sinnlos ist. Gerade deshalb muss die Qualität eines Protokolls anhand von Messdaten beurteilt werden; seine Wirksamkeit darf nicht einfach vorausgesetzt werden.
An die Perfusion schließen sich der Transport und die kontrollierte Abkühlung bis unter die Glasübergangstemperatur an.
Später können computertomografische Untersuchungen Hinweise auf die Verteilung der Kryoprotektiva und auf mögliche Eisbildung liefern. Mehr dazu im Beitrag „Qualitätskontrolle in der Biostase“.
Kurz gesagt: Bei der Perfusion verdrängt eine kryoprotektive Lösung das Blut und gelangt über das Gefäßsystem ins Gewebe. Ziel ist ein möglichst wirksamer Schutz vor Eisbildung, während Schäden durch Toxizität, osmotischen Stress und eine ungleichmäßige Verteilung so gering wie möglich gehalten werden.
Weiterführende Literatur