Kapitel 2: Kryonik in der Praxis

Bei Tomorrow.bio erforschen wir ständig neue Wege, um unser Kryoprotektions- und Konservierungsverfahren zu verbessern. Die ersten Schritte des Prozesses werden durch SST-Teams verfeinert, die das einzige professionelle Ganzkörper-Feld-Kryoprotektionsverfahren anbieten, das derzeit verfügbar ist. Modernste Kälteschutzmittel werden eingesetzt, um die Schädigung der Zellen während der Kühlung zu minimieren. Außerdem sorgt flüssiger Stickstoff für eine äußerst stabile Lagerungsumgebung für kryokonservierte Patienten.

Trotz all dieser Bemühungen könnte die Wissenschaft noch viele Möglichkeiten aufzeigen, wie die Kryokonservierung verbessert werden kann. Ein wichtiger Punkt ist die Art und Weise, wie kryokonservierte Patienten derzeit gelagert werden. In diesem Artikel erfährst du, warum das so ist und wie eine mögliche Lösung aussehen könnte.

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Welche Lagerungsmethode wird derzeit verwendet?

Derzeit werden die meisten kryokonservierten Menschen in flüssigem Stickstoff bei einer Temperatur von -196°C gelagert. Diese kostengünstige und nachhaltige Methode verbraucht keinen Strom und ist relativ einfach zu warten, da nur einmal pro Woche neuer flüssiger Stickstoff zugeführt werden muss. Wo liegt also das Problem?

Bei der Kryokonservierung werden die Patienten bei einer Temperatur von etwa -130°C in einen Zustand der Vitrifikation versetzt. Dies ist ein glasähnlicher Zustand. Danach werden sie langsam weiter auf -196°C abgekühlt, die natürliche Temperatur von flüssigem Stickstoff, bei der ihre Körpertemperatur unverändert bleibt.

Das Problem liegt nicht in der langfristigen Lagerung, sondern in dem, was davor und danach passiert.

Die Temperatur von -196°C bietet keine (relevante) bessere Konservierung als -130°C. Flüssiger Stickstoff hat zufällig eine Temperatur, mit der die Kryokonservierung funktionieren kann. Tatsächlich wäre es für unsere Sache praktischer, wenn die Temperatur von flüssigem Stickstoff näher am (aber immer noch unter) dem Glasübergangspunkt läge.

Bei der regulären Lagerung minimiert eine gleichmäßige Abkühlung die thermischen Spannungen des Gewebes, wenn die Verglasungstemperatur unterschritten wird. Die Spannungen können noch weiter verringert werden, indem die Temperatur kurz nach der Verglasung für eine gewisse Zeit in der Nähe des Glasübergangspunkts gehalten wird. Dies ermöglicht einen weiteren Spannungsabbau, bevor der Körper weiter abgekühlt wird.

Der Prozess der Abkühlung auf diese deutlich kältere Temperatur führt zu Gewebebrüchen und anderen Schäden, die wir zu verhindern versuchen. Verletzungen dieser Art behindern nicht unbedingt die Erhaltung wichtiger neuroanatomischer Informationen, aber sie erschweren die zukünftige Genesung.

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Warum schädigt die Kühlung das Gewebe?

Moleküle schwingen und bewirken, dass sich ein typisches Volumen oder eine typische Dichte bei einer bestimmten Temperatur manifestiert. Wenn die Temperatur sinkt, verringert sich auch das Volumen des Objekts, das ihr ausgesetzt ist. Dieses Phänomen wird "thermische Kontraktion" genannt.

Wenn ein Objekt verglast wird, kühlt sein wärmeres Inneres schneller ab als seine äußere Hülle, wodurch es etwas schneller an Größe verliert. [1] Da das Innere und das Äußere miteinander verbunden sind, kann dieser Größenunterschied dazu führen, dass es zu Brüchen kommt und das Gewebe dabei beschädigt wird.

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Was ist eine Lagerung bei mittlerer Temperatur?

Durch langsames Abkühlen über die Glasübergangstemperatur und das Beibehalten einer Temperatur, die näher am Verglasungspunkt liegt, kann die Frakturierung verringert und möglicherweise (fast) vermieden werden.

Dieses System wird als "Intermediate Temperature Storage" bezeichnet, da die Temperatur zwischen der Verglasung und dem flüssigen Stickstoff liegt.

Die thermische Belastung des Gewebes ist weniger problematisch, wenn die Abkühlung über die Glasübergangstemperatur hinaus früher beendet wird. Nach früheren Daten[2] sind Schäden umso wahrscheinlicher, je schneller das Gewebe abgekühlt wurde.

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Vorteile und Herausforderungen der Lagerung bei mittleren Temperaturen

Ungeachtet ihrer theoretischen Vorteile werden ITS-Systeme heute außerhalb der Forschung nur selten zur Kryokonservierung eingesetzt. Das liegt vor allem an der Fülle von Herausforderungen und Komplikationen, die die Methode mit sich bringt.

Erstens birgt der Einsatz von ITS-Systemen einen viel höheren Risikofaktor als die derzeit verwendete Lagerung von Flüssigstickstoff in einem Tauchbad. Herkömmliche Lagerdewars bei -196°C sind fast bis oben hin gefüllt und enthalten über 1000 Liter Flüssigkeit. Diese Menge an flüssigem Stickstoff reicht aus, um die Konservierung für mehr als eine Woche aufrechtzuerhalten, bevor sie wieder aufgefüllt werden muss. Normale ITS-Dewars enthalten dagegen nur etwa 120 Liter Flüssigstickstoff am Boden des Lagerbehälters, was bei einer Temperatur von -140°C höchstens für 5 Tage Lagerung ausreicht.

Außerdem verbrauchen ITS-Dewars doppelt so viel Flüssigstickstoff wie ihre kälteren Gegenstücke und sind dabei nur ein Drittel so groß. Genau wie normale Dewars sind sie so ausgestattet, dass sie sich automatisch auffüllen, aber sie benötigen mehr Ressourcen und Kontrollen, um eine stabile Temperatur zu gewährleisten. Wenn man bedenkt, dass (potenziell schädliche) Temperaturschwankungen wahrscheinlicher sind, erweisen sich ITS-Dewars letztendlich als weniger zuverlässige und sichere Option.

Die Beseitigung dieser Nachteile ist möglich, aber sie geht mit exponentiell höheren Kosten für die Instandhaltung der Lager einher.

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