Soll ein Körper durch Vitrifikation in einen stabilen, glasartigen Zustand überführt werden, ohne dass schädliche Eiskristalle entstehen, sind dafür Kryoprotektiva nötig. Sie wirken als Frostschutzmittel für biologisches Gewebe. Ihr Einsatz erfordert allerdings, wie viele andere Verfahren auf diesem Gebiet, eine sorgfältige Abwägung von Nutzen und Risiken. Dieser Zielkonflikt bestimmt das gesamte Verfahren: Die Substanzen, die das Gewebe vor Eisbildung schützen, können es bei zu hoher Konzentration auch schädigen. Um die Wirkung von Kryoprotektiva zu verstehen, muss man deshalb sowohl ihren Schutzeffekt als auch ihre Toxizität betrachten.
Warum Eis unbedingt verhindert werden muss
Warum ist Eisbildung im Gewebe problematisch? Gefriert Wasser im Körper, entstehen zwei Arten von Schäden gleichzeitig. Mechanische Schäden entstehen, wenn wachsende Eiskristalle die umgebenden Zellen in immer engere Zwischenräume mit ungefrorener Flüssigkeit drängen und dabei Strukturen im Zellinneren verformen. Chemische Schäden entstehen, weil beim Gefrieren weitgehend reines Wasser zu Eis wird und die gelösten Stoffe in der verbleibenden Flüssigkeit zurückbleiben: Dort steigen die Konzentrationen von Salzen und anderen Stoffen so stark an, dass sie Zellen schädigen können. Jeder Effekt allein wäre schon schädlich. Zusammen können diese Prozesse beim gewöhnlichen Gefrieren auch jene Strukturen zerstören, die als Grundlage der persönlichen Identität gelten.
Kryoprotektiva sollen von vornherein verhindern, dass überhaupt Eis entsteht. Das Gewebe geht dabei ohne Eisbildung in einen glasartigen Zustand über; wie gut seine Struktur erhalten bleibt, hängt auch davon ab, wie gleichmäßig es mit der Kryoprotektivumlösung durchströmt wird.
Was Kryoprotektiva wirklich sind
Ein Kryoprotektivum verhält sich ganz ähnlich wie das Frostschutzmittel im Kühler eines Autos: Es löst sich in Wasser und senkt die Temperatur, bei der dieses Wasser sonst kristallisieren würde. Die medizinischen Varianten, die in der Kryonik verwendet werden, etwa Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO), werden genau für diese Aufgabe ausgewählt und gemischt. Man unterscheidet zwei Gruppen, die sich in ihrer Wirkung ergänzen:
- Penetrierende Wirkstoffe durchdringen die Zellmembran und verhindern, dass Eis innerhalb der Zelle entsteht.
- Nicht penetrierende Wirkstoffe bleiben außerhalb der Zellen und wirken dort der Eisbildung entgegen, die meist in den Zwischenräumen zwischen den Zellen beginnt.
Die Kombination hat einen entscheidenden Vorteil: Nicht penetrierende Wirkstoffe schützen die leichter zugänglichen Zellzwischenräume, in denen sich besonders leicht Eis bildet, sodass im Zellinneren geringere Konzentrationen penetrierender Wirkstoffe ausreichen. Die nötige Konzentration ist allerdings auch das zentrale Problem.
Schutz vor Eisbildung und toxische Wirkung
Bei der Kryoprotektion müssen Schutzwirkung und Toxizität gegeneinander abgewogen werden. Um zuverlässig zu vitrifizieren, muss ein großer Teil des Körperwassers durch Kryoprotektivum ersetzt werden. Je höher aber die Konzentration, desto toxischer wirkt das Mittel auf das Gewebe. Bei zu geringer Konzentration bildet sich Eis. Bei zu hoher Konzentration wird das Gewebe chemisch geschädigt. Die Konzentration muss deshalb so gewählt werden, dass sie die Eisbildung verhindert und das Gewebe möglichst wenig schädigt.
Zwei Eigenschaften der Kryoprotektiva helfen dabei. Erstens hängt die Toxizität stark von der Temperatur ab: Ein Mittel, das bei höherer Temperatur das Gewebe schädigen würde, kann bei niedrigerer Temperatur weniger toxisch wirken. Deshalb werden die Kryoprotektiva schrittweise, mit steigender Konzentration, eingebracht, während der Körper gleichzeitig gekühlt wird, sodass die Toxizität bei jedem Schritt niedrig bleibt. Zweitens können geeignete Wirkstoffkombinationen weniger toxisch sein als ein einzelner Wirkstoff in der Konzentration, die für die Vitrifikation nötig wäre. An der optimalen Zusammensetzung solcher Mischungen wird intensiv geforscht; bessere Mischungen könnten dazu beitragen, Gewebeschäden zu verringern und damit die Voraussetzungen für eine mögliche spätere Wiederbelebung zu verbessern.
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 schrittweise weiter, um jeweils Schwächen der Vorgängerlösung zu beheben. Frühe Mischungen mit einem einzigen Wirkstoff wichen Kombinationen aus DMSO mit Amiden und Propylenglykol. Ethylenglykol ersetzte anschließend die toxischeren Bestandteile. Danach kamen eisblockierende Moleküle hinzu, die Kristallisation schon bei niedrigeren Konzentrationen unterdrücken. Im letzten Schritt wurde das Verhältnis der nicht penetrierenden Bestandteile angepasst, um Kälteschäden entgegenzuwirken. Die heute beim Menschen verwendeten Mittel stehen am Ende dieser Entwicklungskette. Tomorrow.bio und das Cryonics Institute verwenden eine optimierte Version einer Lösung namens VM1, die aus etwa gleichen Teilen Dimethylsulfoxid und Ethylenglykol besteht. Andere Anbieter verwenden eigene Rezepturen, deren Zusammensetzung sie nicht offenlegen. Die Ansätze unterscheiden sich hinsichtlich der Kosten und der verfügbaren Dokumentation; VM1 ist pro Fall deutlich günstiger. Forscher nutzen inzwischen auch eine Kenngröße namens qv*, um die Toxizität abzuschätzen und Mischungen zu entwickeln, die eine zuverlässige Vitrifikation bei möglichst geringer Gewebeschädigung ermöglichen. Kryoprotektiva werden laufend weiterentwickelt, um die Gewebestruktur bei der Konservierung möglichst gut zu erhalten; dieses Ziel steht im Mittelpunkt der Weiterentwicklung des Feldes.
Das ungelöste Problem der Wiedererwärmung
Ein Problem bleibt jedoch ungelöst. Bei kryogenen Temperaturen laufen chemische Reaktionen so langsam ab, dass toxische Wirkungen der Kryoprotektiva kaum noch eine Rolle spielen. Bei der Wiedererwärmung wird die Toxizität erneut zum Problem: Wiedererwärmung. Beim Wiedererwärmen müssten die Wirkstoffe schnell und vollständig entfernt werden, damit sie das Gewebe nicht schädigen. Eine sichere Entfernung der Wirkstoffe wäre eine Voraussetzung für eine mögliche spätere Wiederbelebung. Das ist heute nicht lösbar. Eine Wiederbelebung nach einer solchen Konservierung ist derzeit nicht möglich, Wiederbelebung ist derzeit nicht möglich, und etwas anderes zu behaupten wäre unehrlich. Dahinter steht die Hoffnung, dass eine künftige Medizin sowohl die ursprüngliche Todesursache beheben als auch eine kontrollierte Wiedererwärmung ermöglichen könnte und dass die erhaltenen Gewebestrukturen dafür eine ausreichende Grundlage böten.
Ein großer Teil der laufenden Forschung bei Tomorrow.bio und anderen Einrichtungen zielt darauf ab, den Schutz vor Eisbildung zu verbessern und zugleich die Toxizität zu verringern. Verbesserte Mischungen sollen dazu beitragen, die Gewebestruktur eines Menschen beim Abkühlen auf −196 °C möglichst gut zu erhalten.
Kurz gesagt: kryoprotektiva verringern die Eisbildung und machen Vitrifikation möglich. Sie können aber auch toxisch wirken und osmotischen Stress verursachen, weshalb Konzentration, Temperatur und Zufuhr sorgfältig gesteuert werden müssen.
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