Die klassische Immersionslagerung in flüssigem Stickstoff ist in ihrer Einfachheit kaum zu übertreffen. Nun muss sich zeigen, ob die geringere thermomechanische Belastung den höheren technischen Aufwand des ITS-Systems rechtfertigt.
Die Schwäche der Immersionslagerung zeigt sich im letzten Abschnitt der Abkühlung. Vitrifiziertes Gewebe verhält sich mechanisch zunehmend wie Glas und zieht sich weiter zusammen, wenn es auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt wird.
Beim Intermediate Temperature Storage (ITS), also der Lagerung bei Zwischentemperaturen, wird der kryokonservierte Körper bei einer höheren Temperatur im Glaszustand gehalten. Dadurch sollen thermomechanische Spannungen verringert werden.
Das Grundprinzip ist physikalisch plausibel. Die technische Umsetzung ist jedoch anspruchsvoller, als die knappe Angabe „Lagerung bei etwa −140 °C“ vermuten lässt.
Inzwischen gibt es ein solches System auch für die Ganzkörperlagerung. Im August 2026 wurde das erste für die Ganzkörperlagerung ausgelegte ITS-Dewargefäß an den EBF-Standort geliefert. Dort wird es nun von Tomorrow.bio geprüft.
Das Problem beginnt am Glasübergang
Eine Kryoschutzlösung wird nicht bei einer einzigen, exakt festgelegten Temperatur zu Glas. Ihre Viskosität nimmt innerhalb eines Temperaturbereichs stark zu, während die Bewegung der Moleküle immer langsamer wird.
Die angegebene Glasübergangstemperatur Tg ist ein praktischer Bezugswert, der unter festgelegten Messbedingungen ermittelt wird.
Oberhalb dieses Bereichs können sich Spannungen noch abbauen, weil das Material auf der jeweils betrachteten Zeitskala noch fließt. Unterhalb dieses Temperaturbereichs verhält sich das vitrifizierte System zunehmend wie ein spröder Feststoff.
Beim weiteren Abkühlen zieht sich das Material zusammen. Gewebe unterscheiden sich je nach Zusammensetzung und Kryoprotektivumkonzentration in ihrem Schrumpfungsverhalten. Auch die verwendeten Stützmaterialien ziehen sich anders zusammen.
Bei einem Körper von menschlicher Größe kommen räumliche Temperaturunterschiede hinzu. Die äußeren Bereiche kühlen schneller ab als der Kern.
Dadurch entstehen im Material Dehnungen und mechanische Spannungen. Übersteigt die Zugspannung die örtliche Festigkeit des vitrifizierten Materials, kann ein Riss entstehen.
Thermomechanische Modellrechnungen aus der Fachliteratur zeigen, dass Geometrie, Abkühlverlauf und Temperaturunterschiede die Spannungen in großen vitrifizierten Proben beeinflussen.
Warum langsames Abkühlen hilft, aber nicht alles löst
Langsames, gleichmäßiges Abkühlen verringert die Temperaturunterschiede im Körper. Während einer Haltephase nahe dem Übergangsbereich kann sich ein Teil der Spannungen abbauen, bevor die Temperatur weiter gesenkt wird.
Deshalb steuert Tomorrow.bio den Temperaturverlauf in den letzten Phasen der Ganzkörperabkühlung.
Die Abkühlrate ist nicht die einzige Größe. Auch dort, wo Gewebe, Behälterwände und Halterungen aneinandergrenzen, entstehen Spannungen, weil sich die Materialien unterschiedlich stark zusammenziehen.
Auch die Größenordnung des menschlichen Körpers spielt eine Rolle. Ein Protokoll, das bei einer kleinen Materialprobe Risse verhindert, erzielt bei einem ganzen Körper nicht zwangsläufig dasselbe Ergebnis.
Neuere Experimente bestätigen, dass das Rissverhalten stark von der Glasübergangstemperatur Tg und den Materialeigenschaften des Kryoprotektivums abhängt und nicht allein von der Endtemperatur.
ITS setzt an einer wesentlichen Ursache an: Das Verfahren begrenzt die weitere Abkühlung unterhalb der Glasübergangstemperatur. Es ist jedoch nicht belegt, dass sich damit sämtliche Ursachen der Rissbildung vermeiden lassen.
Für ITS gibt es keinen einzelnen Temperatursollwert
„Etwa −140 °C“ ist ein brauchbarer Orientierungswert, aber kein allgemeingültiger Sollwert für jeden Patienten und jede Kryoschutzlösung.
Die Obergrenze muss ausreichend weit unter dem maßgeblichen Übergangsbereich liegen. So bleibt das mit Kryoprotektivum versorgte Gewebe trotz räumlicher Temperaturunterschiede, Messunsicherheiten und Regelungsschwankungen im Glaszustand.
Die untere Grenze wird durch die zusätzliche Schrumpfung und die daraus entstehenden Spannungen bestimmt, die mit ITS möglichst vermieden werden sollen.
Ein belastbarer Betriebsbereich muss die Konzentration des Kryoprotektivums berücksichtigen. Schlecht mit Kryoprotektivum versorgte Regionen können andere thermische Eigenschaften aufweisen als ausreichend geschützte Bereiche.
Auch der Messort ist entscheidend. Ein Sensor erfasst nur die Temperatur an seinem Messort, nicht an jedem Punkt im Inneren des Körpers.
Die Konstruktion muss deshalb die Temperaturverteilung im gesamten Lagerraum berücksichtigen: Auch am wärmsten relevanten Punkt muss die Temperatur niedrig genug sein, während sie am kältesten Punkt nicht unnötig stark absinken darf.
Warum gewöhnlicher Stickstoffdampf nicht ausreicht
Der Raum über dem flüssigen Stickstoff ist kalt, aber von selbst nicht überall gleich kalt.
Das Gas dicht über der Flüssigkeit ist kälter als das Gas am Deckel. Durch Hals und Wände dringt Wärme ein. Dadurch entstehen sowohl vertikale als auch radiale Temperaturunterschiede.
Würde man einen Patienten lediglich über der Flüssigkeit aufhängen, ließe sich damit noch keine einheitliche und genau definierte Lagertemperatur für den gesamten Körper gewährleisten.
Ein ITS-System benötigt deshalb eine Innenkonstruktion, die diese Temperaturunterschiede verringert und die Wärmeströme in der Patientenkammer gezielt lenkt.
Veröffentlichte ITS-Konzepte kombinieren wärmeleitende Innenwände, isolierte Patientenkammern, Stickstoffdampf und geregelte elektrische Heizung.
Die Heizung wirkt zunächst widersinnig. Sie soll keine Kälte erzeugen, sondern die stickstoffgekühlte Kammer auf einer Temperatur oberhalb der Temperatur des Kältereservoirs stabilisieren.
Eine Regelungsaufgabe, mehrere mögliche Bauweisen
Ein ITS-Behälter kann flüssigen Stickstoff als Kältereservoir nutzen und die Temperatur des Patienten im Dampfraum darüber regeln.
Bei einer anderen Bauweise wird die Kühlleistung geregelt, indem die thermische Kopplung zwischen Lagerkammer und Stickstoffreservoir verändert wird.
Ventilatoren, wärmeleitende Strukturen oder eine geregelte Gasumwälzung verbessern die Gleichmäßigkeit. Jedes dieser Bauteile beeinflusst sowohl die Wärmeströme als auch das Verhalten des Behälters im Fehlerfall.
Wichtiger als das Etikett ITS ist die konkrete Bauweise. Zwei Behälter mit demselben Temperatursollwert können sich hinsichtlich der Temperaturverteilung, der Sicherheitsreserven und ihres Verhaltens im Störfall deutlich unterscheiden.
Brian Wowks technischer Überblick über ITS-Systeme beschreibt frühe Bauformen mit wärmeleitenden Innenwänden und geregeltem Dampfraum.
Diese Prototypen zeigen, welche technischen Konzepte grundsätzlich funktionieren können. Aus ihren Kapazitäten und Standzeiten lassen sich jedoch keine unmittelbaren Schlüsse auf neuere Ganzkörpersysteme ziehen.
Die Regelung muss die Temperatur im gesamten Körper berücksichtigen
Ein Regler vergleicht die gemessene Temperatur mit dem Sollwert und passt daraufhin die Heizleistung, die Stickstoffzufuhr oder ein anderes Stellglied an.
Ein einzelner Sensor genügt bei einem Objekt von menschlicher Größe nicht. Er kann einen stabilen Wert melden, während eine andere Region den vorgesehenen Bereich verlässt.
Deshalb sollten Sensoren in unterschiedlichen Höhen und Abständen von der Behälterwand sowie an repräsentativen Stellen im Inneren des Körpers messen. Das gilt sowohl für den stationären Betrieb als auch für Phasen mit Temperaturänderungen.
Die Sensoren müssen so angeordnet sein, dass sich die Temperaturen im Gasraum und im Inneren des Körpers getrennt erfassen lassen. Beim Abkühlen, bei Störungen und während der anschließenden Stabilisierung können sich beide Temperaturen unterschiedlich entwickeln.
Auch die Stabilität der Regelung zählt. Ein System, das immer wieder über das Ziel hinausschießt und nachregelt, erzeugt Temperaturwechsel, selbst wenn der Mittelwert über lange Zeit brauchbar aussieht.
Entscheidend ist nicht, dass die Anzeige ständig den Sollwert anzeigt. Entscheidend ist vielmehr, dass der vorgesehene Temperaturbereich bei realitätsnaher Beladung im gesamten Lagerraum nachweislich eingehalten wird.
ITS verändert den Verlauf im Störfall
In einem klassischen Immersionsdewar hält eine ausreichende Menge flüssigen Stickstoffs den Körper auch ohne aktive Regelung nahe an der Siedetemperatur des Stickstoffs.
ITS ergänzt Sensoren, Regellogik, Stellglieder und Elektrik. Diese Bauteile verbessern die Temperaturführung im Normalbetrieb, erhöhen aber zugleich die Zahl möglicher Fehlerquellen.
Bei einer Störung sollte das System den sicheren Betriebsbereich nur langsam verlassen; jede Abweichung muss frühzeitig erkennbar sein. Ein Alarm muss ausgelöst werden, bevor die Temperatur des Patienten eine der beiden Grenzen des geprüften Bereichs erreicht.
Fallen bei manchen stickstoffgestützten Bauformen die Heizung oder die Umwälzung aus, wird die Kammer eher kälter als wärmer.
Eine solche Abkühlung führt zwar nicht unmittelbar aus dem Glaszustand heraus, kann aber das Risiko von Rissen erhöhen. Sie dürfte einer Erwärmung über die sichere Obergrenze vorzuziehen sein, ist jedoch keineswegs harmlos.
Andere Störungen verringern den Stickstoffvorrat oder unterbrechen die thermische Verbindung zwischen Patientenkammer und Kältequelle. Wie das System darauf reagiert, hängt vom jeweiligen Behälter ab.
Deshalb muss geprüft werden, ob das System beim Ausfall aktiver Komponenten passiv sicher bleibt. Das bloße Vorhandensein von flüssigem Stickstoff macht das System noch nicht passiv sicher.
Was ein belastbares Prüfprogramm erfassen muss
Zu Beginn der Inbetriebnahme wird eine mit Temperatursensoren ausgestattete thermische Attrappe eingesetzt, die Größe, Form und Wärmekapazität eines Patienten nachbildet.
Geprüft werden sollten die Temperaturgleichmäßigkeit im Beharrungszustand, das Abkühlverhalten, der Stickstoffverbrauch, der Strombedarf und mögliche Temperaturschwankungen.
Im Prüfprogramm sollten gezielt Sensor- und Reglerfehler, klemmende Ventile, Stromausfälle, ein erschöpfter Stickstoffvorrat, der Ausfall der Datenverbindung und eine verzögerte Reaktion des Personals simuliert werden.
Ebenso wichtig wie das Verhalten während einer Störung ist die anschließende Rückkehr zum Normalbetrieb. Das System sollte in den geprüften Bereich zurückkehren, ohne gefährliche Temperaturunterschiede zu erzeugen oder über das Ziel hinauszuschießen.
Um eine Kalibrierdrift und widersprüchliche Sensorwerte zu erkennen, müssen klare Kriterien festgelegt werden. Redundante Sensoren nützen wenig, wenn die Software bei widersprüchlichen Messwerten ohne festgelegte Plausibilitätsprüfung einen Wert auswählt.
Die Standzeit muss unter klar definierten Randbedingungen angegeben werden. Dazu gehören Ausgangsvorrat, Umgebungsbedingungen, Fehlerart und die Temperaturschwelle, ab der das System als ausgefallen gilt.
Ein Behälter ist erst dann für die Lagerung von Patienten geeignet, wenn sein Verhalten im Normalbetrieb und bei realistisch zu erwartenden Störungen untersucht und dokumentiert ist.
ITS kann spätere Wiedererwärmung erleichtern
Risse zerstören die mikroskopischen Strukturen beiderseits der Bruchfläche nicht zwangsläufig. Sie erschweren jedoch eine kontrollierte Wiedererwärmung und eine gleichmäßige Wiederherstellung der Durchblutung erheblich.
Weniger Risse könnten deshalb den Aufwand für eine mögliche Reparatur vor der Wiederherstellung biologischer Funktionen verringern.
Eine höhere Lagertemperatur verringert außerdem die Temperaturspanne, die bei einer späteren Erwärmung überwunden werden muss. Die Probleme der Eiskristallbildung, der Toxizität der Kryoprotektiva und der ungleichmäßigen Erwärmung löst ITS allerdings nicht.
In der aktuellen Forschung an vitrifizierten Organen gelten Rissbildung und Kristallisation weiterhin als zwei eigenständige Gefahren, die beide beherrscht werden müssen.
ITS kann somit einen Teilaspekt verbessern, löst aber nicht das weitaus umfassendere Problem einer möglichen Wiederherstellung. Das Verfahren hält keine Lebensfunktionen an und ermöglicht nach heutigem Stand keine Wiederbelebung.
Aktueller Umsetzungsstand bei Tomorrow.bio
In seiner öffentlichen Forschungsagenda führt Tomorrow.bio die Entwicklung eines ITS-Systems für die Ganzkörperlagerung als laufendes Projekt auf.
Am 13. August 2026 wurde das erste ITS-Dewargefäß von Tomorrow.bio für die Ganzkörperlagerung an die EBF-Anlage in Rafz geliefert.
Das für die Ganzkörperlagerung ausgelegte System wurde entwickelt von 21st Century Medicine.
Damit verfügt Tomorrow.bio als weltweit erste Kryonikorganisation über ein ITS-Dewargefäß für die Ganzkörperlagerung.
Zur Lagerung von Patienten wird das Dewargefäß noch nicht eingesetzt. Es befindet sich in einer Testphase, die mehrere Monate dauern soll.
Im Rahmen des Prüfprogramms werden der Verbrauch an flüssigem Stickstoff, die Temperaturstabilität, die räumliche Temperaturverteilung, das Regelverhalten und die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb untersucht.
Das Team sucht außerdem nach Schwachstellen und prüft, wie sich der Ausfall von Sensoren, Temperaturregelung, Stromversorgung oder Stickstoffnachschub auswirkt.
Aus den Ergebnissen werden Betriebsgrenzen, Anforderungen an die Überwachung, Wartungsabläufe und Maßnahmen für Störfälle abgeleitet.
Die Lieferung zeigt lediglich, dass EBF nun über ein ITS-System für die Ganzkörperlagerung verfügt. Dass damit bereits eine geprüfte und routinemäßige Patientenlagerung möglich ist, folgt daraus nicht.
Die erforderliche Reihenfolge lautet daher: messtechnische Prüfung, Störfalltests, dokumentierte Abnahme und erst danach die Lagerung von Patienten.
Wie sich ITS und klassische Immersion vergleichen lassen
Beim Vergleich geht es nicht um die Kategorien „fortschrittlich“ und „überholt“. Beide Bauweisen haben jeweils eigene Vorzüge und Risiken.
Die klassische Immersionslagerung ist thermodynamisch einfach und bietet eine außergewöhnlich hohe passive Stabilität. Die niedrigere Lagertemperatur führt jedoch zu zusätzlicher Schrumpfung und höheren thermomechanischen Spannungen.
ITS begrenzt die Abkühlung unterhalb der Glasübergangstemperatur und könnte dadurch die Rissbildung verringern. Dafür erfordert das Verfahren eine präzisere Temperaturregelung, zusätzliche Bauteile und eine umfangreichere technische Validierung.
Entscheidend ist eine Gesamtbewertung, die Rissbildung, Temperaturreserven, Störfallverhalten, Standzeit, Wartungsaufwand, Umlagerungsmöglichkeiten und die Leistungsfähigkeit der Einrichtung berücksichtigt.
Die umgebende Lagereinrichtung muss den gewählten Behälter über Jahrzehnte zuverlässig betreiben können. Eine einmalige erfolgreiche Vorführung genügt nicht.
Das ehrliche Fazit
ITS setzt an einer realen Schwachstelle der Ganzkörperkryokonservierung an: an den mechanischen Belastungen, die entstehen, wenn ein großer vitrifizierter Körper weit unter seine Glasübergangstemperatur abgekühlt wird.
Der erwartete Nutzen ist physikalisch plausibel und wird durch thermomechanische Modelle und Experimente gestützt. Wie groß dieser Nutzen bei einem menschlichen Patienten wäre, hängt jedoch von der technischen Umsetzung und ihrer experimentellen Überprüfung ab.
Verlässlich beurteilen lässt sich das Verfahren erst anhand räumlich aufgelöster Temperaturmessungen, systematischer Störfalltests, einer Langzeiterprobung und veröffentlichter Daten, die während der Inbetriebnahme erhoben wurden.
Kurz gesagt: Die Lagerung im mittleren Temperaturbereich soll die Belastung durch die Abkühlung auf extrem tiefe Temperaturen verringern, indem Patienten deutlich oberhalb von −196 °C gelagert werden. Sie könnte die Rissbildung mindern, erfordert dafür aber eine aktive Regelung, zusätzliche technische Komponenten und umfangreiche Tests.
Zum Weiterlesen