Si la vitrification est l’objectif recherché, c’est-à-dire amener un corps vers un état vitreux stable plutôt que vers une glace destructrice, alors les agents cryoprotecteurs sont ce qui rend cela physiquement possible. Pour faire passer les tissus à un état vitreux stable sans formation de glace, il faut utiliser des agents cryoprotecteurs. On peut comparer leur rôle à celui d’un antigel. Leur utilisation impose toutefois un compromis qui détermine l’ensemble du protocole : à trop forte concentration, les substances qui protègent les tissus contre la formation de glace deviennent toxiques pour les cellules. Pour comprendre leur fonctionnement, il faut donc examiner comment on concilie protection contre la glace et limitation de la toxicité.
Pourquoi éviter la formation de glace
Voyons d’abord les dommages causés par la glace. Lorsque l’eau gèle à l’intérieur d’un corps, elle provoque deux types de dégâts à la fois. Les premiers dommages sont mécaniques : en grossissant, les cristaux de glace compriment les cellules dans des espaces de liquide non gelé de plus en plus étroits, ce qui déforme leurs structures internes. Les seconds sont chimiques : à mesure que l’eau gèle, les substances dissoutes se concentrent dans un volume de liquide de plus en plus faible, jusqu’à atteindre des concentrations toxiques. Chacun de ces effets pris isolément serait déjà grave. Ces deux effets rendent la congélation classique particulièrement destructrice pour les structures cérébrales associées à la mémoire et à l’identité.
Les agents cryoprotecteurs servent à limiter la formation de glace. Si la perfusion permet une diffusion suffisante des cryoprotecteurs, les tissus peuvent passer à l’état vitreux sans formation de glace, ce qui contribue à préserver leur structure.
Qu’est-ce qu’un agent cryoprotecteur ?
Un agent cryoprotecteur agit un peu comme l’antigel d’un circuit de refroidissement automobile : dissous dans l’eau, il abaisse sa température de cristallisation. En cryonie, on utilise notamment le glycérol, l’éthylène glycol, le propylène glycol et le diméthylsulfoxyde (DMSO), seuls ou en mélange. On distingue deux familles d’agents cryoprotecteurs, dont les actions sont complémentaires :
- Les agents pénétrants traversent la membrane cellulaire et empêchent la glace de se former à l’intérieur de la cellule.
- Les agents non pénétrants restent à l’extérieur de la cellule et empêchent la glace de se former dans les espaces situés entre les cellules, là où elle a tendance à apparaître en premier.
L’association des deux familles permet de limiter la concentration nécessaire en agents pénétrants dans les cellules : les agents non pénétrants assurent une partie de la protection en agissant dans le milieu extracellulaire. Or la toxicité de ces agents dépend notamment de leur concentration.
Concilier efficacité et faible toxicité
La cryoprotection se heurte à une difficulté majeure. Pour obtenir une vitrification, il faut introduire une forte concentration de cryoprotecteurs dans les tissus. Mais plus la concentration augmente, plus l’agent devient toxique pour le tissu. Une concentration trop faible laisse la glace se former. Une concentration trop élevée provoque des dommages chimiques. Il faut donc trouver une concentration suffisante pour éviter la formation de glace tout en limitant les effets toxiques.
Deux facteurs permettent de limiter cette toxicité. Premièrement, la toxicité dépend fortement de la température : un agent susceptible d’endommager les tissus à température ambiante peut être moins toxique à basse température. On augmente donc progressivement la concentration en agents cryoprotecteurs à mesure que le corps est refroidi, afin de limiter leur toxicité à chaque étape. Deuxièmement, certains mélanges sont moins toxiques que chacun de leurs composants utilisé seul à la concentration nécessaire pour obtenir une vitrification. La recherche se poursuit pour trouver des mélanges à la fois efficaces et moins toxiques, dans l’espoir de faciliter une éventuelle réanimation.
Des solutions qui ne cessent de s’améliorer
Les solutions cryoprotectrices utilisées aujourd’hui associent plusieurs substances, dans des proportions affinées au fil de plusieurs décennies de recherche. Le cryobiologiste Greg Fahy a progressivement amélioré ses solutions de vitrification. Les premières formulations, à base d’un seul agent cryoprotecteur, ont été remplacées par des mélanges de DMSO, d’amides et de propylène glycol. L’éthylène glycol a ensuite remplacé les composants les plus toxiques. Enfin, l’ajout de molécules inhibant la formation de glace a permis de réduire les concentrations nécessaires à la vitrification. Plus récemment, les proportions des composants non pénétrants ont été ajustées pour limiter les dommages liés au refroidissement. Les solutions actuellement utilisées pour la cryoconservation humaine sont issues de ces travaux. Tomorrow.bio et le Cryonics Institute utilisent une version optimisée de la solution VM1, qui contient du diméthylsulfoxyde et de l’éthylène glycol en proportions à peu près égales. D’autres prestataires utilisent leurs propres formulations, protégées par le secret industriel. Ces formulations diffèrent par leur coût et par la quantité d’informations publiées à leur sujet. La solution VM1 coûte nettement moins cher par procédure. Les chercheurs utilisent aussi un indicateur de toxicité, noté qv*, pour concevoir des mélanges permettant la vitrification tout en limitant les dommages. Les formulations cryoprotectrices continuent d’évoluer pour mieux préserver les tissus. Notre article consacré aux progrès du domaine présente ces recherches.
Une difficulté encore non résolue : le réchauffement
Le réchauffement pose une autre difficulté. Aux températures cryogéniques, les réactions chimiques sont fortement ralenties. La toxicité pose de nouveau problème lors du réchauffement. Lors d’un éventuel réchauffement, il faudrait éliminer ces agents rapidement, sans endommager les tissus. On ne sait pas aujourd’hui réaliser cette étape dans le cadre d’une réanimation après cryoconservation. Il faudrait, pour y parvenir, des techniques médicales qui restent à développer. À ce jour, il n’est pas possible de réanimer une personne après une telle cryoconservation, et prétendre le contraire serait malhonnête. La cryonie repose sur l’espoir que de futures techniques médicales permettraient de remédier à la cause du décès, de réchauffer les tissus sans les endommager et de restaurer leurs fonctions à partir des structures conservées.
Une grande partie des recherches menées chez Tomorrow.bio et ailleurs vise à améliorer la protection contre la glace tout en réduisant la toxicité des mélanges. L’objectif est de mieux préserver la structure des tissus lors du refroidissement jusqu’à −196 °C.
En résumé : les agents cryoprotecteurs réduisent la formation de glace et rendent la vitrification possible. Ils peuvent toutefois avoir des effets toxiques et provoquer un stress osmotique, ce qui impose de contrôler soigneusement leur concentration, la température et leur mode d’administration.
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