La vetrificazione mira a portare il corpo in uno stato vetroso stabile, evitando i danni causati dal ghiaccio: i crioprotettori rendono fisicamente possibile questo processo. Agiscono come una sorta di antigelo per i tessuti. Il loro impiego richiede però un compromesso che condiziona l'intera procedura: la stessa sostanza che protegge i tessuti dal ghiaccio può danneggiarli se usata a concentrazioni eccessive. Per capire come si usano i crioprotettori, bisogna capire come si bilanciano questi effetti.
Perché bisogna evitare la formazione di ghiaccio
Vediamo anzitutto quali danni provoca il ghiaccio. Quando l'acqua congela all'interno del corpo, provoca contemporaneamente due tipi di danno. Il primo è meccanico: crescendo, i cristalli di ghiaccio comprimono le cellule vicine in spazi sempre più stretti, occupati dal liquido non ancora congelato, e ne deformano le strutture interne. Il secondo è chimico: mentre l'acqua pura congela, le sostanze disciolte si concentrano in un volume di liquido sempre minore, fino a raggiungere concentrazioni tossiche. Ciascuno dei due effetti, da solo, sarebbe già grave. Insieme, questi effetti fanno sì che il normale congelamento danneggi gravemente anche le strutture da cui dipende l'identità personale.
I crioprotettori servono a impedire che il ghiaccio si formi fin dall'inizio. Il tessuto passa allo stato vetroso senza formare ghiaccio; la conservazione della sua struttura dipende dall'efficacia della perfusione.
Cosa sono davvero i crioprotettori
Un agente crioprotettore si comporta in modo simile all'antigelo che si mette nel radiatore di un'auto: si scioglie in acqua e abbassa la temperatura alla quale quell'acqua cristallizzerebbe. Le sostanze impiegate in crionica, come glicerolo, glicole etilenico, glicole propilenico e dimetilsolfossido (DMSO), devono avere una purezza adeguata all'uso medico e vengono selezionate e miscelate per questo scopo. Si distinguono due categorie, impiegate in combinazione:
- Gli agenti penetranti attraversano la membrana cellulare e impediscono al ghiaccio di formarsi dentro la cellula.
- Gli agenti non penetranti restano fuori dalla cellula e impediscono al ghiaccio di formarsi negli spazi tra le cellule, dove tende a comparire per primo. Gli agenti penetranti attraversano la membrana cellulare e sostituiscono gran parte dell'acqua interna, impedendo al ghiaccio di formarsi all'interno della cellula stessa.
L'impiego combinato ha un vantaggio importante. Gli agenti non penetranti proteggono lo spazio extracellulare, dove il ghiaccio si forma più facilmente e il trattamento è più agevole; questo permette di usare concentrazioni inferiori di agenti penetranti all'interno delle cellule. E la concentrazione, come si vedrà, è proprio il nodo del problema.
Il compromesso tra protezione e tossicità
Il problema centrale della crioprotezione è bilanciare l'efficacia del trattamento con la sua tossicità. Per vetrificare in modo affidabile occorre sostituire gran parte dell'acqua del corpo con il crioprotettore. Ma più alta è la concentrazione, più l'agente diventa tossico per il tessuto. Una concentrazione troppo bassa lascia che si formi ghiaccio; una troppo alta provoca danni chimici. Occorre trovare un equilibrio tra queste esigenze.
Due fattori aiutano a raggiungere questo equilibrio. Il primo è la temperatura, da cui la tossicità dipende fortemente: una sostanza che danneggerebbe il tessuto a temperatura ambiente può risultare meno tossica a basse temperature. Per questo i crioprotettori vengono introdotti gradualmente, a concentrazione crescente, mentre il corpo viene contemporaneamente raffreddato, così da mantenere bassa la tossicità a ogni passaggio. Il secondo è la composizione della miscela: combinando opportunamente gli agenti, si può ottenere una tossicità complessiva inferiore a quella di un singolo agente usato alla concentrazione necessaria per la vetrificazione. combinazioni di agenti La ricerca sulla composizione ottimale delle miscele è ancora in corso: migliorarle potrebbe aumentare le possibilità di riportare in vita le persone crioconservate in futuro, un tema legato alla qualità futura della rianimazione.
Le soluzioni continuano a migliorare
Il crioprotettore usato oggi non è una sostanza unica ma un cocktail messo a punto con cura, frutto di decenni di perfezionamenti successivi. Il criobiologo Greg Fahy ha sviluppato generazioni successive di soluzioni per la vetrificazione. Ognuna correggeva un difetto della precedente. Le prime miscele a un solo agente hanno lasciato il posto a combinazioni di DMSO con ammidi e glicole propilenico. Il glicole etilenico ha poi sostituito i componenti più tossici. Sono state poi introdotte molecole che inibiscono la formazione di ghiaccio anche a concentrazioni più basse. Il perfezionamento più recente ha riguardato le proporzioni dei componenti non penetranti, modificate per limitare i danni da raffreddamento. Le formulazioni oggi impiegate per la crioconservazione umana sono il risultato di questi sviluppi. Tomorrow.bio e il Cryonics Institute utilizzano una versione ottimizzata di una soluzione chiamata VM1, composta da parti pressoché uguali di dimetilsolfossido e glicole etilenico. Altri operatori usano formulazioni di cui non rendono pubblica la composizione. I due approcci differiscono per costi e documentazione disponibile; il trattamento con VM1 costa molto meno per paziente. I ricercatori dispongono persino di una misura predittiva della tossicità, indicata come qv*, che aiuta a progettare miscele capaci di vetrificare in modo affidabile causando il minor danno possibile. Le formulazioni dei crioprotettori continuano a evolversi: migliorarle permette di preservare meglio le strutture dei tessuti ed è quindi un obiettivo centrale della ricerca sulla crioconservazione, il tema di come si fa progredire il settore.
Un problema ancora irrisolto
Resta un'ultima difficoltà da affrontare. Alle temperature criogeniche le reazioni chimiche sono estremamente rallentate, così come i processi responsabili della tossicità dei crioprotettori. La tossicità torna a essere un problema durante il riscaldamento. Durante il riscaldamento, i crioprotettori dovrebbero essere rimossi rapidamente e senza danneggiare i tessuti. Oggi non sappiamo come farlo: servirebbero tecniche mediche ancora da sviluppare per poter riportare in vita una persona crioconservata. Al momento non è possibile riportare in vita una persona crioconservata e sostenere il contrario sarebbe disonesto. La speranza è che in futuro la medicina possa curare la patologia o riparare le lesioni che hanno causato la morte, riscaldare il corpo in modo controllato e intervenire sui tessuti conservati.
Buona parte della ricerca in corso presso Tomorrow.bio e altrove si concentra su come aumentare la protezione dal ghiaccio limitando la tossicità. Ogni miglioramento della miscela permette di preservare meglio le strutture dei tessuti durante il raffreddamento fino a −196 °C.
In sintesi: i crioprotettori riducono la formazione di ghiaccio e rendono possibile la vetrificazione. Possono però causare tossicità e stress osmotico, per cui concentrazione, temperatura e modalità di somministrazione vanno controllate con attenzione.
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