Was genau wollen wir erreichen, wenn wir einen Menschen konservieren? Es geht nicht einfach darum, den Körper abzukühlen. Kälte ist dabei nur das Mittel zum Zweck. Ziel ist es, die biologischen Prozesse im Körper so weit zu verlangsamen, dass es für seinen Erhalt keinen wesentlichen Unterschied mehr macht, ob er ein Jahr oder zehntausend Jahre gelagert wird. Aus dieser Anforderung ergibt sich fast alles Weitere, auch die auffallend genaue Temperaturangabe im Titel.
Die eigentlich interessante Frage lautet also nicht, warum es so kalt sein muss. Sie lautet: Wie tief muss die Temperatur sinken, damit chemische Reaktionen praktisch zum Erliegen kommen? Entscheidend ist die Glasübergangstemperatur der Kryoprotektivlösung, die bei etwa −130 °C liegt. Unterhalb dieser Temperatur ist die Beweglichkeit der Moleküle stark eingeschränkt, sodass Stoffwechselprozesse und viele andere chemische Reaktionen praktisch zum Erliegen kommen. Die entscheidende Schwelle liegt also nicht bei −196 °C. Flüssiger Stickstoff siedet deutlich unterhalb dieser Grenze und hält beim Sieden seine Temperatur konstant.
Warum Kälte den Gewebeabbau bremst
Beim Zerfall eines Körpers laufen chemische und biologische Prozesse ab: Enzyme spalten Moleküle, weitere chemische Reaktionen verändern das Gewebe, und Mikroorganismen bauen es ab. Jeder dieser Prozesse braucht Moleküle, die sich bewegen und zusammenstoßen. Je langsamer sich die Moleküle bewegen, desto langsamer laufen viele chemische Reaktionen ab. Werden diese Reaktionen ausreichend verlangsamt, verändert sich das Gewebe über lange Zeiträume praktisch nicht mehr.
Dafür gibt es eine brauchbare Faustregel. Grob geschätzt halbiert eine Absenkung der Temperatur um etwa 10 °C die Geschwindigkeit einer typischen Reaktion. Bei wiederholter Abkühlung summiert sich dieser zunächst unscheinbare Effekt zu einer starken Verlangsamung. Beim Abkühlen von Körpertemperatur auf sehr tiefe Temperaturen verlangsamt sich der Gewebeabbau nicht nur um den Faktor zwei oder zehn, sondern um ein Vielfaches davon. Der Wettlauf gegen den zellulären Verfall: Nach dem Herzstillstand beginnt der Zellabbau. Deshalb muss der Körper möglichst rasch so weit abgekühlt werden, dass weitere Veränderungen praktisch zum Erliegen kommen.
Eiskristalle schädigen das Gewebe. Vitrifikation soll es schützen.
Es liegt nahe, dafür den Körper einfach einzufrieren. Doch beim Gefrieren kann das Wasser im Gewebe Schäden verursachen. Beim Gefrieren dehnt sich Wasser aus. Die wachsenden Eiskristalle können Zellmembranen und andere empfindliche Strukturen beschädigen. Die Kristalle sind nicht das einzige Problem. Während reines Wasser auskristallisiert, konzentrieren sich die zurückbleibenden Salze und anderen gelösten Stoffe in der schrumpfenden Restflüssigkeit. In dieser zunehmend konzentrierten Lösung verlieren die Zellen Wasser und können dadurch osmotisch geschädigt werden, auch ohne direkten Kontakt mit Eiskristallen. Würde man einen menschlichen Körper wie ein Stück Fleisch einfrieren, würde man gerade die Strukturen schädigen, die erhalten bleiben sollen.
Das soll die Vitrifikation verhindern. Bei diesem Verfahren werden dem Gewebe Kryoprotektiva zugeführt, also Substanzen, die die Eisbildung unterdrücken. Anschließend wird es kontrolliert abgekühlt, um eine Kristallbildung zu vermeiden. Dabei soll das Gewebe in einen festen, glasartigen Zustand übergehen, ohne dass sich Eiskristalle bilden. Vitrifiziertes Gewebe ist sehr kalt und fest, enthält aber keine Eiskristalle. Auf diesen Unterschied kommt es an.
Die Zahl, auf die es wirklich ankommt, liegt bei etwa −130 °C
Überraschend ist dabei: Die entscheidende Temperatur liegt nicht bei −196 °C. Entscheidend ist die Glasübergangstemperatur bei etwa −130 °C, unterhalb derer das Material in einem starren, glasartigen Zustand vorliegt. Oberhalb dieser Temperatur wird das Material beweglicher und kann seine Struktur langsam verändern. Dabei können sich auch Eiskristalle bilden. Eine solche nachträgliche Eisbildung kann das Gewebe schädigen. Unterhalb der Glasübergangstemperatur ist die Beweglichkeit der Moleküle so stark eingeschränkt, dass die Struktur weitgehend erhalten bleibt.
Wenn der glasartige Zustand bei −130 °C stabil wird, warum kühlt man dann weiter bis auf −196 °C ab? Man braucht einen Sicherheitsabstand zur kritischen Temperatur, ähnlich wie bei einem Gefrierschrank, den man deutlich unter 0 °C betreibt. Wird Gewebe bei einer Temperatur von mehr als 60 Grad unterhalb der Glasübergangstemperatur gelagert, besteht ein großer Abstand zu dem Bereich, in dem das Material erweichen oder sich Eis bilden könnte. Dieser Temperaturabstand soll dafür sorgen, dass der glasartige Zustand auch bei Schwankungen der Lagertemperatur stabil bleibt.
Warum genau -196? Flüssiger Stickstoff hält die Temperatur konstant.
Der konkrete Wert von −196 °C wurde nicht am Reißbrett festgelegt. Bei dieser Temperatur siedet flüssiger Stickstoff, was ihn für die Lagerung besonders praktisch macht.
Eine siedende Flüssigkeit hält ihre Temperatur. Solange genügend flüssiger Stickstoff vorhanden ist, hält er das darin gelagerte Material bei normalem Luftdruck auf etwa −196 °C. Das ist ein selbstregulierender Thermostat ohne bewegliche Teile, ohne Kompressor und vor allem ohne Abhängigkeit von Strom. Patienten und Proben werden in vakuumisolierten Dewargefäßen gelagert. Diese funktionieren ähnlich wie Thermoskannen und verringern den Wärmeeintrag von außen. Der allmählich verdampfende Stickstoff muss regelmäßig nachgefüllt werden. Bei einem elektrisch betriebenen Gefrierschrank fällt dagegen bei einem Stromausfall die aktive Kühlung aus. Die Kühlung durch siedenden Stickstoff funktioniert auch bei einem Stromausfall.
Stickstoff ist außerdem billig, reichlich vorhanden (er macht den größten Teil der Luft aus, die man gerade einatmet), reaktionsträge und nicht brennbar. Diese Eigenschaften machen den aus der Luft gewinnbaren Stickstoff zu einem gut geeigneten Kühlmittel für die Langzeitlagerung.
Der Preis der tiefen Kälte
Die Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist technisch einfach, doch die tiefe Temperatur bringt auch Nachteile mit sich. Bei der weiteren Abkühlung von der Glasübergangstemperatur auf −196 °C, also um sechsundsechzig Grad, zieht sich das vitrifizierte Material weiter zusammen. Das Material ist dann bereits spröde und kann die beim Zusammenziehen entstehenden Spannungen kaum noch durch Verformung ausgleichen. Dadurch entstehen mechanische Spannungen, die bei Überschreiten einer kritischen Grenze zu Rissen führen.
Der Effekt lässt sich im Labor reproduzieren. Risse in vitrifizierten Kryoprotektivlösungen entstehen durch thermische Kontraktion und Temperaturunterschiede innerhalb des Materials, wie sie beim schnellen Abkühlen großer Proben auftreten. Wie stark vitrifizierte Lösungen zur Rissbildung neigen, hängt unter anderem von ihrer Glasübergangstemperatur und der weiteren Abkühlung ab.
Bei einem ganzen Körper ist es besonders schwierig, Risse zu vermeiden. Fracturing beginnt meist unterhalb des Glasübergangs. Wurde das Gewebe bei der Perfusion nicht ausreichend mit Kryoprotektiva versorgt, können Risse schon bei Temperaturen um −90 °C entstehen. Manche Risse sind mit bloßem Auge sichtbar, andere nur unter dem Mikroskop. Ein Riss unterbricht den Gewebezusammenhang entlang einer Bruchfläche. Die Strukturen beiderseits dieser Fläche können erhalten bleiben, doch für eine spätere Wiederherstellung der Funktion müsste auch dieser Schaden behoben werden.
Um Risse zu begrenzen, wird das Gewebe derzeit möglichst langsam abgekühlt. Die gesamte Abkühlung dauert fast eine Woche. Im Bereich der Glasübergangstemperatur und darunter erfolgt die Abkühlung am langsamsten: computergesteuert mit etwa einem Grad pro Stunde. Langsameres Abkühlen bedeutet kleinere Temperaturgradienten, und kleinere Gradienten bedeuten weniger Spannung.
Lagerung bei Zwischentemperaturen
Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Abkühlung früher zu beenden. Bei der sogenannten Intermediate Temperature Storage werden Patienten bei etwa −140 °C statt bei −196 °C gelagert. Die Lagertemperatur liegt damit zehn Grad statt sechsundsechzig Grad unterhalb der Glasübergangstemperatur. Die Beweglichkeit der Moleküle bleibt stark eingeschränkt, während sich das Material durch die geringere Abkühlung weniger zusammenzieht.
Die Technik dahinter ist passiv. Am Boden des Dewargefäßes befindet sich flüssiger Stickstoff. Der Patient wird im kalten Stickstoffgas darüber gelagert, dessen Temperatur auf den Zielwert geregelt wird. Die Kälte liefert auch hier der flüssige Stickstoff, sodass kein Kompressor benötigt wird.
Das erste Dewargefäß für Intermediate Temperature Storage, das einen menschlichen Körper aufnehmen kann, soll im August 2026 in der Anlage der European Biostasis Foundation in der Schweiz eintreffen. Zunächst soll der tatsächliche Verbrauch an flüssigem Stickstoff gemessen werden. Davon hängen die Kosten für die Lagerung eines Patienten über ein Jahrhundert wesentlich ab. Mitglieder können diese als ITS bezeichnete Lagerungsform erst nutzen, wenn die Kosten feststehen.
Was bei diesen Temperaturen erhalten bleibt
Bei −196 °C steht die biologische Zeit praktisch still. Enzymatische und andere chemische Abbauprozesse sind stark verlangsamt, und Mikroorganismen können sich nicht vermehren. Die molekularen Strukturen des Körpers, insbesondere des Gehirns, sollen dabei möglichst unverändert erhalten bleiben.
Dieser letzte Punkt ist der entscheidende. Die Biostase beruht auf der Annahme, dass die persönliche Identität in den Strukturen und Verknüpfungen des Gehirns gespeichert ist, in den Verbindungen und Mustern im Gehirn, Biostase lautet, dass das, was einen Menschen zu ihm selbst macht, in physischer Struktur kodiert ist. Diesen Zusammenhang erläutert der Beitrag zu Gedächtnis, Identität und Gehirn. Bleibt diese Struktur unverändert erhalten, bleibt auch die Information erhalten, selbst wenn die Technik, sie auszulesen und die Funktion wiederherzustellen, heute noch nicht existiert. Die Kühlung allein ermöglicht noch keine Wiederbelebung. Sie soll die für eine mögliche spätere Wiederbelebung nötigen Informationen möglichst lange erhalten.
Für die Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist weder eine dauerhaft laufende Kältemaschine noch eine ununterbrochene Stromversorgung nötig. Für die langfristige Konservierung soll das Gewebe eisfrei in einem glasartigen Zustand und deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur gelagert werden. Flüssiger Stickstoff hält beim Sieden die dafür nötige tiefe Temperatur konstant. Die Lagerung bei −196 °C soll den Körper möglichst lange für eine mögliche künftige Wiederbelebung erhalten.
Kurz gesagt: patienten werden bei rund −196 °C gelagert, weil flüssiger Stickstoff sich von selbst nahe dieser Temperatur hält. Molekulare Reaktionen laufen dann extrem langsam ab, und die Lagerung hängt nicht von einer ununterbrochenen, strombetriebenen Kühlung ab.
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