Das medizinische Frostschutzmittel (auch Kryoprotektivum genannt)

WennVitrifizierung das Ziel ist, einen Körper in einen stabilen glasartigen Zustand zu versetzen, anstatt ihn zerstörerischem Eis auszusetzen, dann sind Kryoprotektiva der Trick, der dies physikalisch möglich macht. Sie sind, fast wörtlich, medizinisches Frostschutzmittel. Und wie viele der wichtigsten Werkzeuge auf diesem Gebiet gehen sie mit einem scharfen Kompromiss einher. Das gesamte Verfahren ist darauf ausgelegt. Das, was das Gewebe vor Eis schützt, ist in der falschen Dosierung ebenfalls toxisch für es. Das Verständnis von Kryoprotektiva bedeutet, zu begreifen, wie diese Spannung bewältigt wird.

Warum Eis mit allen Mitteln verhindert werden muss

Beginnen wir mit dem Feind. Wenn Wasser in einem Körper gefriert, verursacht es gleichzeitig zwei Arten von Schäden. Der erste ist mechanischer Natur: Während Eiskristalle wachsen, zermalmen sie die umliegenden Zellen in sich verengende Kanäle unverfrorener Flüssigkeit und verformen die feinen Strukturen im Inneren. Der zweite ist chemischer Natur: Wenn reines Wasser gefriert, wird alles, was darin gelöst war, in die schrumpfende verbleibende Flüssigkeit gepresst, wodurch sich Salze und gelöste Stoffe konzentrieren, bis dieser Flüssigkeitsbereich giftig wird. Jeder Schaden allein wäre bereits problematisch. Zusammen machen sie das gewöhnliche Gefrieren zu einer zuverlässigen Methode, die genauen Strukturen zu zerstören, dieIhre Identität kodieren.

Kryoprotektiva existieren, um sicherzustellen, dass Eis niemals entsteht. Statt zu gefrieren, geht das Gewebe in den glasartigen, vitrifizierten Zustand über, und die Struktur wird so gut erhalten, wie die Perfusion es zulässt.

Was Kryoprotektiva tatsächlich sind

Ein kryoprotektiver Wirkstoff verhält sich ähnlich wie das Frostschutzmittel, das Sie in den Kühler eines Autos geben: Er löst sich in Wasser und senkt die Temperatur, bei der dieses Wasser sonst kristallisieren würde. Die medizinischen Varianten, die in der Kryonik verwendet werden, wie Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO), werden genau für diese Aufgabe ausgewählt und gemischt. Sie gehören zwei Familien an, die als Team fungieren:

• Penetrierende Wirkstoffe durchdringen die Zellmembran und verhindern die Eiskristallbildunginnerhalb der Zelle.
• Nicht-penetrierende Wirkstoffe verbleiben außerhalb der Zelle und verhindern die Eiskristallbildung in den Zwischenräumenzwischen den Zellen, wo sie tendenziell zuerst auftreten. Penetrierende Wirkstoffe durchdringen die Zellmembran und ersetzen einen Großteil des Wassers im Inneren, wodurch die Eiskristallbildung innerhalb der Zelle selbst verhindert wird.

Sie werden aus einem Grund gemeinsam eingesetzt, der sich als zentral erweist. Da die nicht-penetrierenden Wirkstoffe den einfacheren, eisanfälligeren Raum außerhalb der Zellen abdecken, müssen die penetrierenden Wirkstoffe nicht in so hohen Konzentrationen innerhalb der Zellen eingesetzt werden. Und die Konzentration, wie wir gleich sehen werden, ist das ganze Problem.

Der Toxizitätskompromiss, der die eigentliche Geschichte ist

Hier liegt die Spannung, die das gesamte Feld der Kryoprotektion definiert. Um zuverlässig zu vitrifizieren, müssen Sie einen Großteil des Körperwassers durch Kryoprotektionsmittel ersetzen. Je höher die Konzentration, desto toxischer wird das Mittel für das Gewebe. Verwenden Sie zu wenig, und es bildet sich Eis. Verwenden Sie zu viel, und es kommt zu chemischen Schäden. Die Kunst besteht darin, den schmalen Grat zwischen beiden zu finden.

Zwei Fakten machen diesen Grat begehbar. Erstens hängt die Toxizität stark von der Temperatur ab: Ein Mittel, das Gewebe in warmem Zustand schädigen würde, ist in kaltem Zustand deutlich schonender. Daher werden die Kryoprotektionsmittel schrittweise in steigender Konzentration eingeführt, während der Körper gleichzeitig abgekühlt wird, sodass die Toxizität in jedem Schritt gering bleibt. Zweitens könnendie richtigen Kombinationen von Mitteln die Gesamttoxizität der Mischung unter das Niveau senken, das ein einzelnes Mittel in voller Stärke verursachen würde. Diese Mischung richtig zu gestalten, ist ein aktives Forschungsproblem, und ihre Verbesserung stellt einen der konkreten Hebel fürdie Qualität zukünftiger Wiederbelebung dar.

Die Lösungen selbst werden immer besser

Das heute verwendete Kryoprotektionsmittel ist kein einzelner chemischer Stoff, sondern ein sorgfältig abgestimmter Cocktail, der das Ergebnis jahrzehntelanger Iterationen ist. Der Kryobiologe Greg Fahy entwickelte seine Vitrifizierungslösungen in Generationen. Jede Generation behob einen Fehler der vorherigen. Frühe Mischungen mit einem einzigen Mittel wichen Mischungen aus DMSO mit Amiden und Propylenglykol. Später ersetzte Ethylenglykol die toxischeren Komponenten. Anschließend kamen eisblockierende Moleküle hinzu, die die Kristallisation bei niedrigeren Konzentrationen unterdrücken. Der letzte Schritt passte das Gleichgewicht der nicht eindringenden Komponenten an, um Kälteschäden zu vermeiden. Die derzeit für den menschlichen Gebrauch zugelassenen Mittel stehen am Ende dieser Entwicklungskette. Tomorrow.bio und das Cryonics Institute verwenden eine optimierte Version einer Lösung namens VM1. Sie besteht aus etwa gleichen Teilen Dimethylsulfoxid und Ethylenglykol. Andere Anbieter nutzen proprietäre Formulierungen eigener Art. Beide Ansätze repräsentieren unterschiedliche Kompromisse zwischen Kosten und Dokumentation. VM1 ist pro Fall deutlich günstiger. Forschende verfügen sogar über ein prädiktives Toxizitätsmaß, bezeichnet mit qv*, das bei der Gestaltung von Mischungen hilft, die zuverlässig vitrifizieren und dabei möglichst wenig Schaden anrichten. Der Punkt ist, dass "das Kryoprotektionsmittel" keine feste Größe ist, sondern eine sich entwickelnde Front, und jede Verbesserung erhöht direkt die Genauigkeit einer Konservierung, das Leitmotiv vonder Weiterentwicklung des Feldes.

Das offene Problem, das niemand verschweigt

Es gibt noch eine weitere ehrliche Komplikation. Bei kryogenen Temperaturen sind Kryoprotektionsmittel überhaupt nicht toxisch, da keine Reaktionen stattfinden; alles ist pausiert. Die Toxizität ist ein Problem derWiedererwärmung. Auf dem Weg zurück nach oben müssten die Mittel schnell und sauber entfernt werden, um Gewebeschäden zu vermeiden. Dies gut zu bewerkstelligen, ist ein Problem der zukünftigen Medizin, die sich mit der Wiederbelebung befassen würde. Es ist heute nicht lösbar. Wir sagen dies offen, denneine Wiederbelebung ist derzeit nicht möglich, und dies anders darzustellen, wäre unehrlich. Die Wette lautet, dass eine Zivilisation, die in der Lage ist, die ursprüngliche Todesursache zu reparieren, auch eine kontrollierte Wiedererwärmung bewältigen kann, und dass die erhaltene Struktur ihr etwas bietet, wofür es sich zu arbeiten lohnt.

Dieser Balanceakt; mehr Frostschutzmittel versus weniger Toxizität; ist genau der Bereich, auf den sich ein Großteil der aktuellen Forschung bei Tomorrow.bio und anderswo konzentriert. Jede Verbesserung der Mischung stellt eine direkte Verbesserung dafür dar, wie getreu eine Person ihre Struktur auf der Reise zu-196°C überdauert.

Weiterführende Literatur

• Einfrieren vs. Vitrifikation
• Was ist Ischämie, und wie beeinflusst sie die Kryokonservierung?
• Technische Herausforderungen für eine hochwertige Konservierung
• Kritisches Glossar