Die Bildung von Eiskristallen bei den extremen Temperaturen, die für die Kryokonservierung erforderlich sind, muss unbedingt vermieden werden. Eiskristalle können Zellmembranen zerstören und die Integrität des Körpers schädigen. Die beste Methode zur Verhinderung von Eiskristallen ist die Verwendung von Kryoprotektoren.
Kryoprotektoren, Kryoprotektionsmittel oder CPAs sind eine Art medizinisches Frostschutzmittel, das dem Körper durch einen Prozess namens Perfusion zugeführt wird. Dies ermöglicht die Verglasung des Körpers nach einer weiteren Abkühlung - ein wichtiger Prozess für eine qualitativ hochwertige Kryokonservierung.
Es ist wichtig, das richtige Gleichgewicht zwischen den CPAs zu finden, da sie in bestimmten Konzentrationen unterschiedlich giftig sind. Kryoniker stimmen die Mischung ständig ab, um die beste Kryokonservierung mit so wenig Toxizität wie möglich zu ermöglichen.
Dieser Artikel soll dir helfen, besser zu verstehen, was Kryoprotektoren sind und wie sie funktionieren.
Warum das Einfrieren in der Kryonik vermieden wird
Das Einfrieren von Wasser im Körper verursacht zwei Arten von Schäden: mechanische und chemische. Kryonikforscher sind keine Fans von beidem. Mechanische Schäden sind Verzerrungen der Zellstruktur und -form, die durch die Bildung von Eiskristallen verursacht werden. Diese Eiskristalle sind extrem scharf und können Zellmembranen und anderes Gewebe in ihrer Umgebung durchschneiden. Das wollen wir bei der Kryokonservierung um jeden Preis verhindern, da es sonst zum Zelltod beitragen würde.
Chemische Schäden hingegen werden durch den Ausschluss von Molekülen beim Gefrieren von Wasser verursacht. Normalerweise ist das Wasser in einem lebenden Organismus Teil einer Lösung, die aus vielen verschiedenen Molekülarten besteht. Wenn die Wassermoleküle gefrieren, suchen sie sich gegenseitig und bilden eine reine Substanz, die alle anderen Moleküle wegdrängt. Dies führt zu einer hohen Konzentration von schädlichen gelösten Stoffen im verbleibenden ungefrorenen Wasser.
Um dies zu vermeiden, werden Kryoprotektoren eingesetzt, die wiederum eine Verglasung bei der Kryokonservierung ermöglichen. Verglasung ist die Umwandlung einer Substanz in einen glasartigen amorphen Zustand; dies geschieht bei etwa -130°C, der sogenannten Glasübergangstemperatur. Kryoprotektoren halten die Moleküle an Ort und Stelle, bis die Vitrifizierung stattfinden kann, was die Überlebensrate der Zellen im Vergleich zum Einfrieren deutlich erhöht.
Was sind Kryoprotektoren?
Kälteschutzmittel verhalten sich ähnlich wie Frostschutzmittel, die du in dein Auto gibst, wenn die Außentemperaturen unter Null fallen. Sie lösen sich in Wasser auf und helfen, den Gefrierpunkt des Wassers zu senken. CPAs sind jedoch eine spezielle Variante dieser Chemikalien in medizinischer Qualität.
Weit verbreitete CPAs sind Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO). Unter diesen CPAs gibt es zwei Hauptklassen von Kälteschutzmitteln:
- Penetrierende CPAs, die die Bildung von Eis im Zellinneren verhindern, indem sie die Zellwand durchdringen.
- Nicht durchdringende CPAs, die die Bildung von Eis außerhalb von Zellen verhindern.
Penetrierende CPAs werden regelmäßig zusammen mit nicht-penetrierenden CPAs eingesetzt, weil sich extrazellulär leichter Eis bildet als intrazellulär. Wenn nicht durchdringende CPAs vorhanden sind, müssen durchdringende CPAs nicht so konzentriert sein. Das ist entscheidend für eine qualitativ hochwertige Kryokonservierung, denn je höher die Konzentration der durchdringenden CPAs ist, desto giftiger ist die Lösung.
Die Toxizität von Kryoprotektoren
Für eine erfolgreiche Verglasung müssen die Wassermoleküle im Körper durch kryoprotektive Moleküle ersetzt werden. Bei höheren Konzentrationen werden die CPAs jedoch zunehmend giftig.
Das Ausmaß der CPA-Toxizität ändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen. Um die Toxizität während der Perfusion zu verringern, wird die CPA-Konzentration langsam erhöht, während die Temperatur im Körper gesenkt wird. Dies geschieht, weil CPAs, die bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt verabreicht werden, eine viel geringere Toxizität aufweisen als dieselben Chemikalien bei wärmeren Temperaturen.
Kälteschutzmittel sind bei kryogenen Temperaturen nicht giftig. Sie werden erst beim Wiederaufwärmen giftig. Das bedeutet, dass die CPAs bei einer eventuellen Wiederbelebung extrem schnell entfernt werden müssen, um den Zelltod zu vermeiden. Dies ist ein Problem, für das die zukünftige Medizintechnik eine Lösung finden muss. Angesichts des aktuellen medizinischen Fortschritts sind wir optimistisch, dass die zukünftige Technologie einen Weg finden könnte, diese Herausforderungen zu überwinden und eine Wiederbelebung aus der Biostase zu ermöglichen.
Was kann also getan werden?
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind sich der Grenzen von Kälteschutzmitteln bewusst und arbeiten aktiv daran, ihrer Toxizität entgegenzuwirken, sie zu minimieren und schließlich zu beseitigen. Derzeit gibt es ein paar Möglichkeiten, die Toxizität von CPA zu verringern:
Kombination von Kälteschutzmitteln zur Verringerung der Toxizität
Die Forschung hat herausgefunden, dass die verschiedenen CPAs unterschiedlich giftig sind - je nachdem, in welcher Situation sie eingesetzt werden. Wir wissen, dass es bestimmte Kombinationen von CPAs gibt, die die Gesamttoxizität verringern.
Wissenschaftler erforschen derzeit die optimalen Kombinationen von CPAs.
Schnelle Abkühlung zur Vermeidung von Toxizität
Wissenschaftler/innen versuchen, alternative Kühlmethoden für die Kryokonservierung zu finden. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von kaltem Gas zur Abkühlung von Tierorganen für die Kryokonservierung ohne Verglasung. Die Ergebnisse zeigten, dass kaltes Helium eine Schweineniere auf -180°C abkühlte, ohne dass es zu Brüchen kam, und legten nahe, dass die Verwendung von 20 Atmosphären Druck deutlich schnellere Abkühlungsraten ermöglichen könnte.
Eine so schnelle Abkühlung könnte die Expositionszeit der CPAs verkürzen. Das würde also die Toxizität verringern - solange Schäden wie ein Kälteschock vermieden werden können.
Umkehrung der CPA-Toxizität
Bestimmte CPAs setzen Chemikalien frei, die den Zelltod verursachen können. Durch das Einbringen von Hemmstoffen in erwärmte Zellen kann dies vermieden werden. Darüber hinaus kann die Toxizität bestimmter CPAs durch Veränderungen der Genexpression (mit Hilfe der Nanotechnologie) umgekehrt werden.
Es besteht die Hoffnung, dass wir mit einem besseren Verständnis der Toxizität von Kälteschutzmitteln in der Lage sein werden, deren Auswirkungen effektiver zu bekämpfen.
Fazit
Obwohl Kryoprotektoren in bestimmten Konzentrationen giftig sind, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Kryokonservierung aller biologischen Materialien, von Gewebe, Sperma, Eiern, Organen und Menschen. Das wissen auch die Kryonik-Organisationen. Deshalb suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich mit der Biokonservierung beschäftigen, ständig nach Möglichkeiten, die derzeitigen Methoden zu verbessern. Die Entdeckung verbesserter Mischungen von CPAs mit geringerer Toxizität ist eines unserer F&E-Ziele bei Tomorrow.bio. Wir sind die am schnellsten wachsende Kryonik-Organisation in Europa, und die Förderung der Biostase-Forschung ist eines unserer Hauptziele.
Je mehr wir über das Verhalten von Kryoprotektoren wissen, desto besser können wir ihre schädlichen Auswirkungen auf den Körper verstehen und beseitigen. Sobald die Forscher das verstanden haben, wird eine Wiederbelebung nach der Kryokonservierung viel wahrscheinlicher.
