Ecco una domanda che merita di essere presa alla lettera: cosa cerchiamo davvero di fare quando conserviamo una persona? La risposta non è renderla fredda. Il freddo è il mezzo, non il fine. L'obiettivo è sospendere i processi biologici del corpo al punto che conservarlo per un anno o per diecimila anni non faccia più differenza. Da questa esigenza deriva quasi tutto il resto, compresa la temperatura così precisa indicata nel titolo.
La domanda da porsi, quindi, non è perché serva una temperatura così bassa. Bisogna invece chiedersi: quanto deve scendere la temperatura perché le reazioni chimiche si arrestino? Questa soglia corrisponde alla temperatura di transizione vetrosa della soluzione crioprotettiva, intorno a −130 °C. Al di sotto di questa temperatura, la mobilità molecolare si riduce drasticamente e le reazioni metaboliche si arrestano di fatto. −196 °C non è quella soglia. È il punto di ebollizione dell'azoto liquido: una temperatura ben inferiore alla soglia di transizione vetrosa, che rimane stabile finché il liquido continua a bollire.
Il deterioramento dei tessuti dipende dalle reazioni chimiche
Il deterioramento di un corpo dipende da processi chimici e biologici: gli enzimi scindono le molecole, le reazioni proseguono e i microrganismi restano attivi. Ognuno di questi processi richiede che le molecole si muovano e si scontrino. Se il movimento molecolare rallenta, rallentano anche le reazioni chimiche. Se rallenta abbastanza, il deterioramento si arresta di fatto.
Per capire il fenomeno, possiamo ricorrere a una regola empirica. In prima approssimazione, una diminuzione della temperatura di circa 10 °C dimezza la velocità di una reazione chimica. L'effetto può sembrare modesto, ma diventa considerevole quando questi dimezzamenti si ripetono. Passando dalla temperatura corporea a temperature criogeniche, la velocità di deterioramento non si riduce di un fattore due o dieci, ma di molti ordini di grandezza. La corsa contro il decadimento cellulare che comincia nell'istante in cui il cuore si ferma è, in fondo, una corsa per portare la temperatura abbastanza in basso da rendere la corsa stessa irrilevante.
Il ghiaccio è il nemico. Il vetro è l'alleato.
Si potrebbe pensare che basti congelare il corpo. Non basta, per via del comportamento dell'acqua durante il congelamento. Quando congela, l'acqua si espande e i cristalli di ghiaccio che si formano possono lacerare le membrane cellulari e danneggiare strutture delicate. I cristalli non sono l'unico problema. Man mano che l'acqua pura cristallizza, i sali e gli altri soluti si concentrano nel liquido residuo, il cui volume diminuisce progressivamente. Le cellule immerse in quella soluzione sempre più concentrata perdono acqua e subiscono un danno osmotico. Questo danno può verificarsi anche senza che i cristalli entrino in contatto diretto con le cellule. Congelare un corpo come si congela una bistecca finirebbe per distruggere proprio le strutture che si vogliono conservare.
Per evitare questo problema si ricorre alla vetrificazione. Gran parte dell'acqua del corpo viene sostituita con una soluzione contenente agenti crioprotettori, sostanze che ostacolano la formazione del ghiaccio, e i tessuti vengono raffreddati abbastanza rapidamente da evitare la cristallizzazione. Il tessuto passa invece allo stato vetroso: diventa solido senza che si formino cristalli di ghiaccio. Il tessuto vetrificato può sembrare congelato perché è solido e molto freddo, ma non contiene i cristalli di ghiaccio che si formano durante il congelamento. È questa la distinzione fondamentale.
Il numero che conta davvero è circa −130 °C
Può sorprendere, ma la temperatura decisiva non è −196 °C. È la temperatura di transizione vetrosa, intorno a −130 °C, al di sotto della quale il materiale assume una struttura vetrosa rigida. Al di sopra di questa soglia, la struttura del materiale può modificarsi lentamente. Inoltre, può iniziare a formarsi ghiaccio. Il ghiaccio può quindi formarsi anche dopo il raffreddamento iniziale. Al di sotto della soglia, la mobilità molecolare è così ridotta che la struttura rimane stabile.
Se allora −130 °C è il punto in cui lo stato vetroso diventa stabile, perché scendere fino a −196 °C? Per lo stesso motivo per cui non si imposta un congelatore esattamente a 0 °C: serve un margine di sicurezza. Conservare il tessuto oltre 60 gradi al di sotto della temperatura di transizione vetrosa offre un ampio margine di sicurezza rispetto alle temperature alle quali il materiale potrebbe perdere rigidità o potrebbe formarsi ghiaccio. Questo margine permette di mantenere condizioni stabili anche in presenza di imprevisti.
Perché proprio −196? L'azoto liquido mantiene stabile la temperatura senza consumare elettricità.
La scelta di −196 °C dipende da una proprietà fisica dell'azoto. È la temperatura a cui bolle l'azoto liquido, una proprietà che ne rende particolarmente pratico l'impiego.
Un liquido in ebollizione mantiene la propria temperatura. Finché nel contenitore è presente azoto liquido in ebollizione, la temperatura si mantiene intorno a −196 °C anche se quella dell'ambiente varia. È un termostato che si autoregola, senza parti in movimento, senza compressore e, soprattutto, senza dipendere dall'elettricità. I pazienti e i campioni sono conservati in recipienti Dewar con isolamento sottovuoto, simili a grandi thermos, che riducono al minimo il passaggio di calore dall'esterno. L'unica manutenzione di routine è rabboccare l'azoto che lentamente evapora. Un congelatore meccanico, invece, smette di funzionare quando manca la corrente. Il mantenimento della temperatura dipende quindi dalle proprietà fisiche dell'azoto, senza richiedere un'alimentazione elettrica.
L'azoto è anche economico, abbondante (costituisce la maggior parte dell'aria che respiriamo), inerte e non infiammabile. Se si dovesse progettare da zero un refrigerante ideale per la conservazione a lungo termine, sarebbe difficile fare meglio di quello che possiamo prelevare direttamente dall'atmosfera.
Il costo di scendere così in basso
La conservazione in azoto liquido è semplice da gestire, ma temperature così basse comportano anche uno svantaggio. Per passare dalla temperatura di transizione vetrosa a −196 °C occorre scendere di altri sessantasei gradi, durante i quali il materiale vetrificato continua a contrarsi. Il materiale è ormai rigido e fragile e non riesce a deformarsi abbastanza da dissipare le tensioni dovute alla contrazione. Si accumulano così tensioni meccaniche che, oltre una certa soglia, provocano fratture.
L'effetto è riproducibile in laboratorio. Nelle soluzioni crioprotettive vetrificate, le fratture sono dovute a la contrazione termica e alle differenze di temperatura che un raffreddamento rapido crea tra le diverse zone di un campione di grandi dimensioni. Le soluzioni con una temperatura di transizione vetrosa più alta si fratturano meno, perché, una volta solidificate, devono subire un raffreddamento minore.
Un corpo intero è il caso più difficile. Le fratture di solito cominciano sotto la transizione vetrosa. Se la perfusione con la soluzione crioprotettiva non è stata efficace, le fratture possono comparire già a −90 °C. Le fratture possono essere visibili a occhio nudo oppure avere dimensioni microscopiche. Una frattura separa il tessuto lungo un piano senza disgregarlo, lasciando conservata la struttura su entrambi i lati; resta però un danno da riparare con eventuali tecnologie future.
Per limitare le fratture, oggi si procede con un raffreddamento lento. L'intero raffreddamento richiede quasi una settimana. Il passaggio attraverso la temperatura di transizione vetrosa e il successivo raffreddamento costituiscono la fase più lenta: la temperatura scende di circa un grado all'ora, sotto il controllo di un computer. Un raffreddamento più lento riduce le differenze di temperatura all'interno del materiale e, di conseguenza, le tensioni meccaniche.
Conservazione a temperatura intermedia
Una soluzione più efficace consiste nell'interrompere prima il raffreddamento. La conservazione a temperatura intermedia mantiene il paziente vicino a −140 °C invece che a −196 °C. La temperatura resta comunque dieci gradi sotto la transizione vetrosa invece di sessantasei: la mobilità molecolare rimane estremamente ridotta e il deterioramento si arresta di fatto, mentre il materiale subisce una contrazione molto minore.
Il sistema di raffreddamento è passivo. Sul fondo del recipiente Dewar si trova una riserva di azoto liquido; il paziente è collocato nello spazio sovrastante, dove il vapore freddo viene mantenuto alla temperatura desiderata. Il sistema non richiede un compressore né un collegamento alla rete elettrica: sono queste le caratteristiche che rendono affidabile la conservazione in azoto liquido.
Il primo recipiente Dewar per la conservazione a temperatura intermedia (ITS) abbastanza grande da contenere un corpo umano arriverà alla sede della European Biostasis Foundation, in Svizzera, nell'agosto 2026. La prima verifica riguarderà il consumo effettivo di azoto liquido, un dato necessario per calcolare il costo della conservazione di un paziente per un secolo. La conservazione a temperatura intermedia non sarà disponibile per gli iscritti finché non ne sarà stato determinato il costo.
Che cosa si conserva a queste temperature
A −196 °C, il tempo biologico si arresta di fatto. L'attività enzimatica si ferma, i microbi non possono crescere e le reazioni spontanee che altrimenti disgregherebbero il tessuto non hanno energia sufficiente per procedere. La struttura molecolare del corpo, e soprattutto del cervello, rimane inalterata.
Quest'ultimo punto è quello che conta di più. La biostasi si basa sull'ipotesi che ciò che rende sé stessi sia codificato nella struttura fisica del cervello, in particolare nell'organizzazione delle sue connessioni, come discusso nell'approfondimento «Memoria, identità e cervello». Preservare questa struttura significa conservare le informazioni che contiene, anche se non disponiamo ancora di tecnologie capaci di leggerle e ripristinare le funzioni cerebrali. Il freddo non è magia. Serve a conservare queste informazioni in attesa di eventuali tecnologie capaci di recuperarle.
Questo tipo di conservazione non richiede macchinari infallibili né una fornitura continua di elettricità. Occorre che i tessuti siano vetrificati e mantenuti a una temperatura sufficientemente inferiore a quella di transizione vetrosa. L'azoto liquido in ebollizione permette di mantenere stabile la temperatura di conservazione. La conservazione a −196 °C permette quindi di mantenere i tessuti stabili in attesa di eventuali sviluppi tecnologici.
In sintesi: I pazienti vengono conservati a una temperatura prossima a −196 °C perché l'azoto liquido in ebollizione mantiene stabile questa temperatura. Le reazioni chimiche diventano estremamente lente e la conservazione non richiede un sistema di refrigerazione elettrico sempre in funzione.
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