Entdecke die aktuellen Anwendungen der Kryokonservierung.
Was wäre, wenn du selbst entscheiden könntest, wie lange du lebst? Das Ziel der menschlichen Kryokonservierung ist es, Patienten für die Zukunft zu konservieren und ihnen eine Chance(!) zu geben, wiederbelebt zu werden, sobald die Medizintechnik weit genug fortgeschritten ist. Um den Prozess besser zu verstehen, wird in diesem Artikel erklärt, was Kryokonservierung ist und wie sie derzeit angewendet wird.
Bei der Kryokonservierung werden Zellen, Gewebe und andere biologische Materialien konserviert, indem Kerntemperaturen auf Werte unter dem Gefrierpunkt (in der Regel -196 °C) gesenkt werden, ohne dass sich Eis bildet. Dadurch wird die Stoffwechselrate so weit reduziert, dass unsere biologische Aktivität vollständig zum Stillstand kommt. Das gängigste Kühlmittel für die Kryokonservierung ist flüssiger Stickstoff, der eine natürliche Siedetemperatur von -196 °C hat. Mit Hilfe von Kryoprotektionslösungen und Vitrifikation können Zellen praktisch unbegrenzt konserviert werden.
Kälteschutzmittel (CPAs) sind eine Art medizinisches Frostschutzmittel, das die Bildung von Eiskristallen verringert. Vitrifizierung ist die Umwandlung einer Substanz in einen glasartigen, amorphen Zustand. Dies geschieht, sobald die Zellen die Glasübergangstemperatur von z. B. -125 °C überschreiten, bei der sie fest, aber nicht gefroren sind. Dies ist einer der letzten Schritte im Kryokonservierungsverfahren. Es ist der Punkt, an dem alle biologischen Prozesse zum Stillstand kommen, so dass die Zellen auf unbestimmte Zeit konserviert werden können, ohne zu zerfallen oder Schaden zu nehmen.
Obwohl die medizinische Forschung ständig Fortschritte macht, ist es noch nicht möglich, einen Menschen nach einer Kryokonservierung wiederzubeleben. Es gibt jedoch eine Reihe von Zellen und Geweben, die erfolgreich kryokonserviert und wieder aufgewärmt wurden. Dazu gehören frühe menschliche Embryonen, Sperma, Eizellen, Haut, Knochen, rote und weiße Blutkörperchen, Knochenmark und mehr. Sogar eine ganze Kaninchenniere wurde vitrifiziert, kryokonserviert, wieder aufgewärmt und in ein Kaninchen zurückverpflanzt, wo sie sich vollständig erholte. Im Folgenden wollen wir weitere aktuelle Anwendungen der Kryokonservierung erkunden.
Die erste erfolgreiche Konservierung von Säugetierzellen erfolgte 1949 zufällig, als Christopher Polge und seine Kollegen (Smith und Parks) die Wirkung von Glycerin auf die Beweglichkeit von Hahnensperma untersuchten. Polge verwendete flüssigen Stickstoff zum Einfrieren der Kontrollproben in seinem Labor, fügte jedoch eines Tages versehentlich den flüssigen Stickstoff zu einer Spermaprobe hinzu, die Glycerin enthielt. Als er die Probe wieder aufwärmte, stellte er fest, dass die Spermien des Hahns wieder beweglich wurden, und entdeckte so, dass Spermien ohne Zelltod kryokonserviert werden können.
Dies war der Auslöser für mehrere umfassende Überprüfungen der Kryokonservierung von Spermien, die schließlich zu den Techniken führten, die heute beim Spermabanking oder Einfrieren von Spermien verwendet werden. Sperma kann auf unbestimmte Zeit kryokonserviert und für Samenspenden verwendet werden. Sobald es erwärmt wird, erlangen die Spermien ihre Lebensfähigkeit und Beweglichkeit zurück.
Die Kryokonservierung von Spermien hat ein breites Anwendungsspektrum, wird aber am häufigsten eingesetzt, um einer Person (oder einem Paar) zu helfen, ein Kind zu zeugen. Dazu gehören Anwendungen für Frauen ohne männlichen Partner oder Paare mit männlicher Unfruchtbarkeit.
Im darauf folgenden Jahr, 1950, erweiterte Smith seine Erkenntnisse über die Kryokonservierung von Spermien und untersuchte die Auswirkungen der Vitrifizierung auf rote Blutkörperchen in Glycerin. Er stellte fest, dass in Kaninchen- und menschlichem Blut, das mit einer Glycerinlösung verdünnt war, die roten Blutkörperchen nicht wie sonst beim Einfrieren und Auftauen zerbrachen. Auf der Grundlage dieser Forschungsarbeit gelang ihm die Kryokonservierung menschlicher roter Blutkörperchen.
Diese Studie wurde 1951 erweitert, als Sloviter feststellte, dass Erythrozyten von Kaninchen, die nach längerer Lagerung wiederhergestellt wurden, überlebten und erfolgreich wieder in den Verkehr gebracht werden konnten. Nach weiteren Untersuchungen stellte Sloviter fest, dass menschliche Erythrozyten, die kryokonserviert und mit Glycerin wieder aufgewärmt wurden, für die Transfusion lebensfähig waren.
Die Kryokonservierung roter Blutkörperchen hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt und wird heute in der gesamten medizinischen Gemeinschaft für viele Zwecke eingesetzt. Die Kryokonservierung roter Blutkörperchen ist eine gängige Praxis, die es ermöglicht, seltene Blutgruppen von Spendern für Patienten aufzubewahren, die sie in Zukunft benötigen. Derzeit können kryokonservierte Einheiten roter Blutkörperchen 30 Jahre und länger halten.
Im Jahr 1952 gelang Forschern und Wissenschaftlern ein Durchbruch bei der Kryokonservierung von Eizellkeimen. Chang und seine Kollegen begannen mit der Erforschung der Auswirkungen niedriger Temperaturen auf das Überleben einer Säugetier-Eizelle (Kaninchen). In weiteren Studien wurde die Lebensfähigkeit von Eizellen nach dem Erwärmen getestet und festgestellt, dass die Suspendierung der Keimzellen in einer Glycerinmischung und ihre Kryokonservierung zu erfolgreichen Schwangerschaften führten.
Eine Forschung zur Kryokonservierung von Eizellen verlangsamte sich bis Ende der 1970er Jahre, als erste Mäuse aus kryokonservierten und wieder aufgewärmten Eizellen erzeugt wurden. Obwohl Säugetierozyten während der Kryokonservierung anfälliger für Schäden sind, hatten Steponkus und Mazur schließlich Erfolg mit extrem schnellen Abkühlzeiten [3]. Die erste erfolgreiche Schwangerschaft beim Menschen nach einer Kryokonservierung von Eizellen gelang im Jahr 1986.
Die Kryokonservierung von Eizellen wird heute häufig für die In-vitro-Fertilisation (IVF) verwendet. Frauen können ihre Eizellen einfrieren, um eine Schwangerschaft aus verschiedenen Gründen zu verschieben. Wenn sie sich dafür entscheiden, sie in Zukunft nicht zu verwenden, haben sie die Möglichkeit, sie an andere zu spenden.
Nach der Kryokonservierung von einzelnen Spermien und Eizellen begann die Embryonenforschung. Zu den ersten erfolgreich kryokonservierten Säugetierembryonen gehörte im Jahr 1972 eine Maus. Während der Forschung untersuchten Leibo und Mazur die Auswirkungen langsamer Abkühlungszeiten auf Eisbildungen in embryonalen Zellen. Dabei stellten sie fest, dass„die Kryokonservierung von Embryonen bei niedrigeren Temperaturen nur dann erfolgreich sein kann, wenn Embryonen so langsam eingefroren werden, dass das Wasser aus der Zelle entweichen kann, bevor es zu Eis kristallisiert“ [1].
Ein Jahr später wurden kryokonservierte Embryonen verwendet, um Frostie zu erzeugen. Frostie war ein Kalb, das 1973 aus einem kryokonservierten Embryo geboren wurde, der erst erwärmt und dann einer Leihmutterkuh eingepflanzt wurde. Dieser Durchbruch beschleunigte die Entwicklung der heute für die In-vitro-Fertilisation verwendeten Techniken.
Später, im Jahr 1983, wurde der erste menschliche Embryo erfolgreich kryokonserviert. Dieser Embryo überlebte zwar nicht bis zur Geburt, aber sie erfolgte kurz danach. Im März 1984 wurde in Australien Zoe Leyland aus einem Embryo geboren, der kryokonserviert, erwärmt und eingepflanzt worden war.
Seit Mitte der 1980er Jahre ist Kryokonservierung von Embryonen ein wichtiger Bestandteil der assistierten Reproduktionstechniken beim Menschen. Bei der Kryokonservierung von Embryonen wird ein Embryo (in der Regel im Stadium der Präimplantation) bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt konserviert. Dies ist eine gängige Praxis bei Fruchtbarkeitsbehandlungen wie der In-vitro-Fertilisation. Wenn ein Paar schwanger wird, können übrig gebliebene kryokonservierte Embryonen anderen gespendet werden. Es ist nicht erwiesen, dass Kryokonservierung die Häufigkeit von Geburtsfehlern erhöht oder zu Entwicklungsanomalien führt.
Eine weitere interessante Anwendung der Kryokonservierung von Embryonen findet sich in der Viehwirtschaft. Sie wird eingesetzt, um Erhaltungsmaßnahmen zu verbessern. Allein im Jahr 2005 wurden weltweit über 370.000 tiefgefrorene Rinderembryonen übertragen. Lebendige Nachkommen wurden jedoch nur bei wenigen Tierarten erzeugt, insbesondere bei Kaninchen, Rindern, Katzen, Primaten und Huftieren.
Stammzellen sind unspezialisierte Zellen, die ihre spezifische Funktion noch nicht entwickelt haben. Sie können zu Gehirnzellen, Knochenzellen, Blutzellen, Herzzellen usw. werden. Aufgrund dieser Diversifizierung können Stammzellen zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt werden. Die Kryokonservierung von Stammzellen umfasst die Entnahme von Spenderzellen, die Zugabe von Kälteschutzmitteln, die rasche Abkühlung der Zellen, die Bewertung der Lebensfähigkeit nach 72 Stunden, die Wiedererwärmung der Zellen, das Waschen und die Aufbereitung für die Transplantation. Sie können sowohl zur Behandlung bösartiger als auch nicht-bösartiger Krankheiten verwendet werden.
Es gibt mehrere Kryokonservierungsmethoden für Stammzellen, die sich in Bezug auf Gefriertemperatur, Geschwindigkeit, CPAs und Wiederaufwärmungsfaktoren unterscheiden. Stammzellen werden jedoch schon seit Jahren kryokonserviert, da dies ein Schlüsselelement für die erfolgreiche Durchführung zellbasierter Therapien ist.
Eine Kryokonservierung von Organen wurde seit Anfang der 1960er Jahre durchgehend untersucht. Eine der ersten bemerkenswerten Studien zur Kryokonservierung von Organen wurde in Japan durchgeführt, als Isamu Suda und Kollegen ein Katzenhirn mit einer Glycerinlösung perfundierten, es über sechs Monate lang auf -20 °C kühlten und dann wieder erwärmten. Nach der Untersuchung stellten sie erkennbare Gehirnströme fest - eine spannende Entwicklung in der Kryonik!
Systematischere Studien zur Kryokonservierung von Organen begannen in den 1980er und 1990er Jahren, als der Kryobiologe Gregory M. Fahy und seine Kollegen begannen, den Prozess der Verfestigung ohne Eisbildung zur Organkonservierung zu erforschen. Seine 2003 und 2006 veröffentlichten Ergebnisse machten ihn zum weltweit führenden Experten für die Kryokonservierung von Organen durch Vitrifikation.
Seit den Anfängen der Vitrifikationsforschung haben Dr. Fahy und seine Kollegen versucht, mehr über die Toxizität von Kryoprotektoren zu erfahren und herauszufinden, wie diese durch Vitrifikationslösungen gemildert werden kann. Im Jahr 2005 gipfelte seine Forschung in der "Vitrifikation (auf -135 °C), Wiedererwärmung und Transplantation einer Kaninchenniere mit guter Lebensfähigkeit und Funktionalität" [2].
Diese Forschung hat mehrere andere Studien auf dem Gebiet von kryonik ausgelöst. Am bemerkenswertesten waren die Ergebnisse von Robert McIntyre und seinem Team im Jahr 2016. Ihre Forschung führte dazu, dass erstmals ein ganzes Säugetiergehirn kryonisch konserviert und in "nahezu perfektem" Zustand wiederhergestellt wurde. Nach dem vorsichtigen Wiederaufwärmen und dem Ausspülen der CPAs wurde festgestellt, dass Zellmembranen, Synapsen und intrazelluläre Strukturen intakt blieben [5].
Der Prozess der Kryokonservierung von Organen könnte erhebliche Auswirkungen auf die Transplantationsgemeinschaft haben. So heißt es in PNAS: "Diederzeitigen Instrumente der Kryokonservierung werden bereits eingesetzt, um geschädigte Organe wiederzubeleben ... und die Zeitspanne zu verlängern, in der ein Transplantationsorgan erhalten werden kann" [4]. Die Entdeckung einer Methode zur langfristigen Aufbewahrung von Organen durch Kryokonservierung könnte die Zeit, in der Organe vor einer Transplantation oder Operation erhalten werden können, weiter verlängern und Tausende von Leben retten.
Auch wenn Kryokonservierung und Wiedererwärmung von Tierorganen bereits erfolgreich durchgeführt wurde, gibt es immer noch Probleme (z. B. Toxizität), die vor der Verwendung beim Menschen gelöst werden müssen.
Derzeit sind über 85 Haustiere kryokonserviert, darunter Hunde, Katzen, Schildkröten, Hamster, Papageien, eine Schildkröte, ein Chinchilla und sogar ein Affe. Das Verfahren ähnelt der Kryokonservierung von Zellen, nur in einem größeren Maßstab. Bei der Vitrifizierung wird der Körper des Tieres abgekühlt, bis er einen glasartigen, amorphen Zustand erreicht. Dann können sie in einem Dewar aufbewahrt und auf unbestimmte Zeit konserviert werden.
Der Hauptunterschied zwischen der Kryokonservierung von Haustieren (und Menschen) im Vergleich zu den oben genannten Anwendungen besteht darin, dass es noch keine Technologie zur Wiederaufwärmung gibt. Forscher können nichts garantieren und wissen noch nicht, ob es funktionieren wird, aber bei der Kryokonservierung von Haustieren mangelt es nicht an einer Grundlage. Des Weiteren gibt es auch keine wissenschaftlichen Beweise dafür, dass es nie eine Technologie und Behandlung geben wird, die Haustiere wieder aufwärmen, ihre Krankheiten behandeln oder die Alterung umkehren kann.
Die gleiche Mentalität gilt für die Kryokonservierung beim Menschen. Kryoprotektionsmittel werden dem Körper durch Perfusion über das Kreislaufsystem zugeführt. Diese CPAs ersetzen das Wasser im Körper und senken den Gefrierpunkt der verbleibenden Flüssigkeit, während die Bildung von Eiskristallen minimiert wird. Sobald die Verglasung erfolgt und der Patient sich in einem glasartigen, amorphen Zustand befindet, werden alle biologischen Prozesse angehalten, was eine Konservierung ohne Zerfall oder Schädigung ermöglicht.
Wie bei den Zellen ermöglicht die Kombination von Kryoprotektoren und Vitrifikation die unbegrenzte Konservierung von Patienten. Der Kryokonservierung von Menschen sind zwar einige Grenzen gesetzt, aber - um ein Beispiel zu nennen - mehrere Kryokonservierungsforscher (darunter auch wir) arbeiten derzeit an einem System, das die Lagerung von Patienten bei höheren Temperaturen (weniger thermische Belastung) ermöglichen würde.
Derzeit können Wissenschaftler Patienten kryokonservieren, aber es gibt keine Technologie, um sie wieder aufzuwärmen. Dennoch war James Bedford der erste Mensch, der 1967 kryokonserviert wurde und seit 1991 bei Alcor gelagert wird. Heute gibt es etwa 500 kryokonservierte Patienten im Alter zwischen 2 und 101 Jahren. Auch wenn eine Wiederbelebung noch nicht möglich ist, können sie dank des Konservierungsverfahrens auf unbestimmte Zeit gelagert werden.
Heute wird Kryokonservierung vor allem zur Konservierung von Zellen verwendet, aber die wissenschaftliche, technologische und medizinische Forschung schreitet immer weiter voran. Obwohl noch keine Technologie zur Wiederbelebung eines Menschen nach der Kryokonservierung entwickelt wurde, gibt es keinen grundlegenden biologischen Grund, warum eine Wiederbelebung nicht irgendwann möglich sein sollte.
Da die Kryokonservierung die biologische Aktivität unterbricht, ist eine externe Kraft erforderlich, um sie zu reaktivieren und die Patienten wiederzubeleben. Eine der größten Einschränkungen bei der Kryokonservierung ist die Tatsache, dass es diese Art von Technologie noch nicht gibt. Die Technologie zur homogenen Wiedererwärmung von Gewebe oder zur Behandlung von Alterung und Krankheit gibt es ebenfalls noch nicht. Das heißt aber nicht, dass es sie nie geben wird. Fortschritte in den Nanotechnologien und der Nanowärmeerzeugung könnten uns dabei helfen.
Die Welt hat in den letzten 100 Jahren einen weiten Weg zurückgelegt, und die aktuellen Anwendungen der Kryokonservierung in Wissenschaft und Medizin zeigen, dass die Technologie immer noch Fortschritte macht. Sehen Sie es einmal so: Es gibt derzeit keine Beweise dafür, dass kryonik in Zukunftnicht funktionieren wird. Nur weil jemand heute nicht gerettet werden kann, heißt das nicht, dass er niemals gerettet werden kann. Denken Sie also darüber nach, Ihre Einstellung zu überdenken - manche Krankheiten sind einfach nicht behandelbar... noch nicht.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Vitrifizierung bei komplexen Geweben, insbesondere bei Organen, zu Toxizität führen kann. Die verwendeten Kälteschutzmittel sind häufig eine Kombination aus durchdringenden und nicht durchdringenden Lösungen. Penetrierende CPAs verhindern die Bildung von Eiskristallen im Inneren der Zellen, während nichtpenetrierende CPAs die Bildung von Eiskristallen außerhalb der Zellen verhindern. Die Herausforderung besteht darin, dass die Lösung umso toxischer ist, je höher die Konzentration der CPAs ist. Ist die CPA-Konzentration jedoch zu niedrig, kann keine vollständige Vitrifikation der Organe erreicht werden.
Eine Bewältigung dieser Herausforderung ist ein wichtiger Faktor für die laufenden Fortschritte bei der Kryokonservierung und der erfolgreichen Wiederbelebung.
Seit Jahrzehnten gelingt es Wissenschaftlern, Körperteile zu kryokonservieren und wieder zu erwärmen, aber eine Wiederbelebung von Patienten ist derzeit noch nicht möglich. Wir können zwar nicht genau vorhersagen, wann eine Wiederbelebung möglich sein könnte, aber Patienten werden so lange kryokonserviert, wie es nötig ist. Egal, ob 10, 50, 100 Jahre oder sogar länger, es gibt keine zeitliche Begrenzung dafür, wie lange ein Mensch kryokonserviert werden kann.
Niemand weiß, was in der Zukunft passieren wird, aber was wir wissen ist, dass Sie heute kryokonserviert werden können. kryonik ist derzeit die einzige Technologie, die Sie in diese Zukunft bringen könnte, was haben Sie also zu verlieren? Buchen Sie ein Beratungsgespräch mit einem unserer Teammitglieder oder wenn Sie bereit sind... Melden Sie sich jetzt an!
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[1] Schnebly, R. A. (2020, Oktober 1). The Embryo Project Encyclopedia. "Survival of Mouse Embryos Frozen to -196 ° and -269 °C" (1972), von David Whittingham, Stanley Leibo, und Peter Mazur | The Embryo Project Encyclopedia. Abgerufen am 20. Juli 2022, von https://embryo.asu.edu/pages/survival-mouse-embryos-frozen-196-deg-and-269-degc-1972-david-whittingham-stanley-leibo-and
[2] de Wolf, A., & Platt, C. (2022, Mai 23). Verfahren zur Kryokonservierung von Menschen. | Alcor. Abgerufen am 20. Juli 2022, von https://www.alcor.org/docs/cryopreservation-procedures-book.pdf
[3] Borini, A., & Coticchio, G. (2010). Konservierung von menschlichen Eizellen. CRC Press. Abgerufen am 20. Juli 2022, von https://thaisrm.com/docs/Ri%20Chian%20Book/Preservation%20of%20Human%20Oocytes%20-%20From%20Cryobiology%20Science%20to%20Clinical%20Applications%20copy.pdf
[4] Scudellari, M. (2017, Dezember 12). Kryokonservierung zielt darauf ab, neue Wege zum Einfrieren, Lagern und Auftauen von Organen zu entwickeln. PNAS. Abgerufen am 20. Juli 2022, von https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1717588114.
[5] Crew, B. (2016, Februar 10). A Mammal's Brain Has Been Cryonically Frozen And Recovered For The First Time. ScienceAlert. Abgerufen am 20. Juli 2022, von https://www.sciencealert.com/a-mammal-s-brain-has-been-cryonically-frozen-and-recovered-for-the-first-time
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