Niedrige Temperaturen, hohe Möglichkeiten.
Kryotechnik ist nicht nur etwas, das wir hier auf Tomorrow Bio erforschen, um die Kryokonservierung von Menschen zu erleichtern - sie umfasst die Herstellung und das Verhalten von Materialien bei Temperaturen unter Null. Ohne die Arbeit von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Forschern in verschiedenen Branchen würde die Gesellschaft heute nicht über einige der großartigen Technologien verfügen, die von der Kryotechnik profitieren. Der Einsatz von niedrigen Temperaturen zur Behandlung von Krankheiten ist sogar so alt wie die Zeit selbst. Im Jahr 450 v. Chr. schlug Hippokrates vor, Schnee zu verwenden, um Kriegsverletzten zu helfen. Jahrhunderte später haben Wissenschaftler durch die Untersuchung der Auswirkungen von Minustemperaturen auf biologische Materialien große Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht. In der Medizin reicht die Anwendung der Kryotechnik von MRT-Geräten bis zur Kryotherapie und ist weitgehend auf die Konservierung von Geweben, Zellen und Organen anwendbar. Was genau ist Kryogenik und wie nützlich ist sie?
Wie bereits erwähnt, befasst sich die Kryotechnik - die oftmit kryonik oder Biostase verwechselt wird - mit der Herstellung und dem Verhalten von Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen. Der kryogene Temperaturbereich reicht von -150 °C (-238 °F) bis zum absoluten Nullpunkt (-273 °C oder -460 °F). Dies ist die Temperatur, bei der die Bewegung der Moleküle so weit wie theoretisch möglich zum Stillstand kommt. Infolge dieser extrem niedrigen Temperaturen verändern sich die Eigenschaften von Materialien, wie Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit.
Die Kryotherapie - auchbekannt als Kryochirurgie oder Kryoablation - wurde in der Vergangenheit zur Wundheilung und Schmerzlinderung eingesetzt. Heute wird die Kryotherapie zur Behandlung von Hautkrankheiten wie Warzen und Hautanhängseln sowie von bestimmten Krebszellen und abnormen Geweben in der Prostata, dem Gebärmutterhals und der Leber eingesetzt. Bei Hautkrebs setzt der Arzt flüssigen Stickstoff an der betroffenen Stelle ein, um das abnorme Gewebe zu zerstören. Bei Tumoren und bösartigen Tumoren im Inneren des Körpers verwendet der Arzt eine Sonde, eine so genannte Kryosonde, die an einen Vorrat an flüssigem Stickstoff angeschlossen ist. Die Kryosonde wird dann neben oder in die abnormen Zellen vorgeschoben, um die Zellen "einzufrieren".
Ein MRT-Gerät besteht aus Spulen, einem Magneten und Drähten, die Strom leiten. Damit der Scanner effektiv funktionieren kann, benötigt er ein Kühlmittel, das den Spulen supraleitende Eigenschaften verleiht und so die Erzeugung von Magnetfeldern mit hoher Intensität ermöglicht. Flüssiges Helium - häufig als kryogenes Kühlmittel verwendet - ist das ideale Element für MRT-Scanner. Die Flüssigkeit ist kalt genug, um genau das richtige Maß an Supraleitfähigkeit zu erzeugen und die Magneten abzukühlen, die dann Bilder vom Patienten erzeugen können.
In den letzten Jahren hat sich ein neuer Trend entwickelt, der als Ganzkörperkältetherapie bekannt ist. Die Therapie erfolgt in Form einer begehbaren Kältesauna, in der die zu behandelnde Person bis zu 5 Minuten lang sitzt, während ihr Körper extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist. Die Therapie wurde erstmals in den 70er Jahren in Japan entwickelt und soll bei einer Reihe von Beschwerden helfen, darunter rheumatoide Arthritis, Multiple Sklerose, Schuppenflechte, bestimmte Schlafstörungen und Depressionen. Auch bei Sportlern soll die Kryotherapie beliebt sein, denn die Fußballer Cristiano Ronaldo und Jamie Vardy haben die Technik bereits angewendet. Die Ganzkörperkältetherapie steckt noch in den Kinderschuhen, so dass noch viel Forschungsarbeit geleistet werden muss, um ihre Vorteile vollständig zu verstehen.
Kryosaunen unterscheiden sich leicht von der Ganzkörperkältetherapie. Kryosaunen - auch Kryokabinen genannt - sind offene Metallröhren, in denen der Kopf einer Person außerhalb der Minustemperaturen bleibt. Die Kühlung erfolgt durch direkten Kontakt mit flüssigem Stickstoff, so dass der Körper die Vorteile der Ganzkörperkältetherapie genießt, ohne dass der Kopf betroffen ist.
Unter Kryokonservierung versteht man die Konservierung von Zellen, Geweben, Samen, Embryonen, Organen und Menschen bei extrem niedrigen Temperaturen. Bei der Kryokonservierung wird die Stoffwechselrate so weit reduziert, dass die biologische Aktivität praktisch zum Stillstand kommt. Kryokonserviertes Material wird in der Regel in flüssigem Stickstoff gelagert und kann in diesem Zustand auf unbestimmte Zeit verbleiben. Die Idee hinter dieser Technik ist es, biologisches Material so zu konservieren, dass es später wieder aufgewärmt und verwendet werden kann (oder - im Falle der Kryokonservierung von Menschen - wiederbelebt werden kann, worauf wir später noch eingehen werden).
Um die Eisbildung bei diesen Minusgraden zu vermeiden, werden Kryoschutzmittel (CPAs) als eine Art medizinisches Frostschutzmittel verwendet. Sobald das biologische Material die Glasübergangstemperatur (ca. -130 °C) überschritten hat, wird es verglast, d. h. es befindet sich nun in einem glasartigen, amorphen Zustand. In diesem Zustand kommen die biologischen Prozesse zum Stillstand und die Zellen werden auf unbestimmte Zeit konserviert, ohne zu zerfallen. Die Kryokonservierung wird häufig bei der Gewebe- und Zellkonservierung, der In-vitro-Fertilisation (IVF) und kryonik (auch Kryokonservierung beim Menschen genannt) eingesetzt.
Die erste erfolgreiche Konservierung von Säugetierzellen erfolgte 1949 durch die britischen Forscher Christopher Polge, Audrey Smith und Alan Parks. Die Wissenschaftler kombinierten versehentlich flüssigen Stickstoff mit Glycerin an einem Hahnspermium, und als die Probe wieder aufgewärmt wurde, stellten sie fest, dass das Sperma seine Beweglichkeit wiedererlangt hatte. Diese Entdeckung führte zur Entstehung des heutigen Spermabankings. Spermien können nun für unbestimmte Zeit gelagert oder für Samenspenden verwendet werden, um Paaren und Einzelpersonen zu helfen, ein Kind zu zeugen.
Die Kryokonservierung von Eizellen oder Eiern wurde in den 1980er Jahren für Menschen möglich. Wie bei der Kryokonservierung von Spermien können Menschen auch ihre konservierten Eizellen spenden, um anderen Menschen, die schwanger werden wollen, zu helfen. Darüber hinaus können sich Personen, die sich einer Behandlung wie einer Chemotherapie unterziehen, dafür entscheiden, ihre Spermien oder Eizellen zu konservieren, damit sie während des Prozesses nicht beschädigt werden.
Bei der Kryokonservierung von Embryonen wird eine befruchtete Eizelle bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zur späteren Verwendung gelagert. Das Verfahren wurde in den 1980er Jahren eingeführt, und 1984 wurde mit Zoe Leyland das erste Embryo-Baby geboren. Die Methode ist ein wichtiger Aspekt der assistierten Reproduktionstechniken (ART) und hat für Paare, die sich einer IVF unterziehen, große Bedeutung erlangt. Bei diesen Verfahren werden häufig zusätzliche Embryonen erzeugt, die auch zu einem späteren Zeitpunkt verwendet oder gespendet werden können.
Stammzellen sind das Rohmaterial des Körpers, aus dem alle anderen Zellen entstehen. Unter den richtigen Bedingungen teilen sich Stammzellen, um andere Zellen (Tochterzellen) mit einer speziellen Funktion zu bilden, z. B. Gehirnzellen, Knochenzellen und Blutzellen. Die Kryokonservierung von Stammzellen umfasst die Entnahme von Spenderzellen, die Zugabe von Kälteschutzmitteln, die schnelle Abkühlung, die Wiedererwärmung und schließlich das Waschen und Konditionieren der Zellen für die Transplantation. Sie können bei der Behandlung sowohl bösartiger als auch gutartiger Krankheiten eingesetzt werden und sind in Bereichen wie den zellbasierten Therapien von großer Bedeutung .
kryonikDie Kryokonservierung von Menschen ist die Praxis der Konservierung menschlicher Körper bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-196 °C) nach ihrem gesetzlichen Tod. Ziel ist es, die Todesursachen zu behandeln und die Gesundheit des Patienten wiederherzustellen, wenn die Medizintechnik dazu in der Lage ist. Sobald eine Person für rechtlich tot erklärt wird, beginnt ein spezialisiertes medizinisches Team (das so genannte Bereitschaftsteam) das Verfahren, indem es einen Zustand der Unterkühlung herbeiführt . Dabei wird die Temperatur des Patienten gesenkt und die Stoffwechselaktivität reduziert. Da der Körper einer Temperatur von -196 °C ausgesetzt wird, muss eine Eisbildung unbedingt vermieden werden. Um dies zu verhindern, wird das Blut des Patienten durch kryoprotektive Mittel ersetzt und dem Körper der größte Teil des Wassers entzogen. Der Patient wird in einen glasartigen, amorphen Zustand versetzt (genau wie bei der Kryokonservierung von Zellen und Gewebe), in dem er für unbestimmte Zeit verbleiben kann. Zwar ist die Technologie noch nicht so weit fortgeschritten, dass ein Mensch wieder aufgewärmt und wiederbelebt werden kann, aber wir sind optimistisch, dass es irgendwann in der Zukunft möglich sein wird, ihn wiederzubeleben.
Kryogene Lagerungsdewars werden sowohl in Krankenhäusern als auch auf dem Gebiet von kryonik verwendet und sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Der "Dewar-Kolben" wurde 1891 von dem schottischen Chemiker James Dewar eingeführt. Der Aufbau des Dewars basiert auf der Physik einer Thermoskanne: ein Behälter mit zwei oder mehr Außenschichten, zwischen denen Luft evakuiert ist, wodurch ein Vakuum entsteht. Die Idee einer Thermoskanne und eines Dewar-Kolbens ist es, Wärmeübertragung zu vermeiden. Sie werden in der Regel für die Lagerung in Krankenhäusern verwendet, wo sie kryokonservierte Zellen, Gewebe, Sperma und Eizellen enthalten können, die später wieder erwärmt und verwendet werden können.
In der letzten Phase der Kryokonservierung von Menschen wird der Patient in einem Tank, dem so genannten kryogenen Lagerungsdewar, gelagert. Der Dewar wird in regelmäßigen Abständen mit flüssigem Stickstoff nachgefüllt und benötigt keinen Strom, um zu funktionieren. Diese Methode schützt die Patienten vor Stromausfällen und macht die Langzeitlagerung wirtschaftlich machbar. Ein üblicherweise verwendeter Ganzkörper-Dewar ist etwa 3 Meter hoch und 1 Meter breit. Darin werden die Patienten auf dem Kopf stehend gelagert, so dass das Gehirn monatelang in flüssigem Stickstoff geschützt bleiben kann, falls es Hindernisse beim Nachfüllen der Dewars gibt.
Obwohl es in den letzten Jahrzehnten so viele Fortschritte gegeben hat, ist es noch ein weiter Weg, bis die Kryotechnik ihr volles Potenzial entfaltet. So viele lebensrettende Technologien warten darauf, entdeckt zu werden, die unzähligen Menschen auf der ganzen Welt helfen könnten.
Die Anwendung von Kryokonservierungstechniken bei der Organkonservierung könnte bei Transplantationsverfahren bahnbrechend sein. Derzeit besteht weltweit ein erheblicher Mangel an Organen, die für Transplantationen zur Verfügung stehen, wobei die Wartelisten für bestimmte Verfahren Jahre betragen. Die Überlebensrate von Organen außerhalb des Körpers ist einer der Hauptgründe für das Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage. Wenn ein Organ für längere Zeit konserviert werden könnte, würde dies den Zeitdruck für die medizinischen Teams verringern, die das Organ zum Empfänger transportieren müssen, der möglicherweise weit vom Ort des Spenders entfernt ist. Die Kryokonservierung könnte auch die Rate der weggeworfenen Organe verringern, die derzeit noch sehr hoch ist.
Vor der Entwicklung der Herz-Lungen-Wiederbelebung im Jahr 1960 wurde eine Person, die einen Herzinfarkt erlitt, für tot erklärt. Dank des medizinischen Fortschritts ist dies heute jedoch nicht immer der Fall. Unsere Definition des Todes hat sich zu verschiedenen Zeitpunkten in unserer Geschichte geändert, und was wir heute als "todgeweiht" betrachten, kann in 50 oder 100 Jahren leicht zu retten sein. Die Arbeit von kryonik zielt genau darauf ab - die Einführung von Zukunftstechnologien, um Menschen eine Chance zu geben, wiederzubeleben und von einer Krankheit zu genesen, die sie heute nicht überleben würden.
Die Kryotechnik findet in zahlreichen Branchen Anwendung, von denen Sie vielleicht noch gar nichts wussten. Angesichts der vielen Entwicklungen, die sich im Laufe der Jahre vollzogen haben, sind wir bei Tomorrow Biodem am schnellsten wachsenden Unternehmen für die Kryokonservierung von Menschen in Europa, optimistisch, was die Zukunft anbelangt. Die Technologie entwickelt sich ständig weiter, und wir glauben, dass die Kryokonservierung ihr volles Potenzial erst noch erreichen muss.
Wenn Sie mehr über die spannende Forschung auf Tomorrow Bio oder bei unserem Partner EBF erfahren möchten, werfen Sie einfach einen Blick auf unseren Online-Redakteur Tomorrow Insights, der sicher alle Ihre Fragen beantworten wird! Haben Sie nicht gefunden, was Sie suchen? Sie können auch einen Gesprächstermin mit einem unserer internen Experten vereinbaren , der Ihnen gerne alle Aspekte der Kryokonservierung und kryonik näher erläutern wird.
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