Soll ein Körper durch Vitrifikation in einen stabilen, glasartigen Zustand überführt werden, ohne dass sich schädliche Eiskristalle bilden, braucht es Kryoprotektiva. Sie wirken als Frostschutzmittel für das Gewebe. Ihr Einsatz stellt das gesamte Verfahren vor einen grundlegenden Zielkonflikt: Was das Gewebe vor Eis schützt, kann es bei zu hoher Konzentration auch schädigen. Entscheidend ist deshalb, wie sich die Schutzwirkung nutzen und die schädigende Wirkung begrenzen lässt.
Warum Eis mit allen Mitteln verhindert werden muss
Warum ist Eis für das Gewebe so schädlich? Gefriert Wasser im Körper, entstehen gleich zwei Arten von Schäden. Die erste ist mechanisch: Wachsende Eiskristalle drücken die umliegenden Zellen in immer engere Kanäle ungefrorener Flüssigkeit und verformen dabei die feinen Strukturen im Inneren. Die zweite ist chemisch: Wenn Wasser gefriert, bleiben die gelösten Salze und anderen Stoffe in der verbleibenden Flüssigkeit zurück. Dort steigt ihre Konzentration so stark an, dass sie die Zellen schädigen können. Jedes der beiden Probleme allein wäre schon schlimm genug. Zusammen können diese Vorgänge beim gewöhnlichen Gefrieren auch jene Strukturen zerstören, die für Gedächtnis und Persönlichkeit entscheidend sind.
Kryoprotektiva sollen von Anfang an verhindern, dass überhaupt Eis entsteht. Das Gewebe geht dabei in einen glasartigen Zustand über. Wie gut seine Struktur erhalten bleibt, hängt auch davon ab, wie gleichmässig es mit der kryoprotektiven Lösung durchströmt wird.
Was Kryoprotektiva eigentlich sind
Ein Kryoprotektivum verhält sich ähnlich wie das Frostschutzmittel im Kühler eines Autos: Es löst sich in Wasser und senkt die Temperatur, bei der dieses Wasser sonst kristallisieren würde. In der Kryonik werden dafür Stoffe wie Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO) gezielt ausgewählt und miteinander kombiniert. Dabei ergänzen sich zwei Gruppen von Kryoprotektiva:
- Penetrierende Mittel durchdringen die Zellmembran und verhindern, dass Eis innerhalb der Zelle entsteht.
- Nicht penetrierende Mittel bleiben ausserhalb der Zellen und verhindern, dass Eis in den Räumen zwischen den Zellen entsteht, wo es meist zuerst auftritt. Penetrierende Mittel durchdringen die Zellmembran und ersetzen einen Grossteil des Wassers im Inneren, wodurch die Eisbildung innerhalb der Zelle selbst verhindert wird.
Die Kombination beider Gruppen hat einen entscheidenden Vorteil. Da die nicht penetrierenden Mittel die Eisbildung ausserhalb der Zellen hemmen, genügen im Zellinneren geringere Konzentrationen der penetrierenden Mittel. Und die Konzentration ist, wie sich zeigen wird, das eigentliche Problem.
Der Zielkonflikt zwischen Schutzwirkung und Toxizität
Dieser Zielkonflikt ist für die Kryoprotektion entscheidend. Für eine zuverlässige Vitrifikation muss ein grosser Teil des Körperwassers durch Kryoprotektivum ersetzt werden. Je höher jedoch die Konzentration, desto giftiger wirkt das Mittel auf das Gewebe. Bei zu geringer Konzentration bildet sich Eis. Bei zu hoher Konzentration wird das Gewebe chemisch geschädigt. Die Herausforderung besteht darin, eine Konzentration zu finden, die vor Eis schützt und das Gewebe möglichst wenig schädigt.
Zwei Eigenschaften der Kryoprotektiva helfen dabei. Erstens hängt die Toxizität stark von der Temperatur ab: Ein Mittel, das bei höheren Temperaturen Gewebe schädigen würde, ist bei Kälte weniger toxisch. Deshalb werden die Kryoprotektiva schrittweise, in steigender Konzentration, eingebracht, während der Körper gleichzeitig gekühlt wird, sodass die Toxizität in jedem Schritt gering bleibt. Zweitens kann eine geeignete Kombination mehrerer Mittel weniger toxisch sein als ein einzelnes Mittel in der für die Vitrifikation nötigen Konzentration. Wie sich solche Mischungen optimal zusammensetzen lassen, wird derzeit erforscht. Verbesserte Mischungen könnten dazu beitragen, Gewebe besser zu erhalten und eine künftige Wiederbelebung zu erleichtern.
Die Lösungen selbst werden immer besser
Heute werden sorgfältig abgestimmte Mischungen verschiedener Kryoprotektiva verwendet, die über Jahrzehnte weiterentwickelt wurden. Der Kryobiologe Greg Fahy entwickelte seine Vitrifikationslösungen schrittweise weiter. Mit jeder neuen Variante wurde eine Schwachstelle der Vorgängerlösung behoben. Frühe Mischungen mit nur einem Wirkstoff wichen Kombinationen von DMSO mit Amiden und Propylenglykol. Ethylenglykol ersetzte anschliessend die giftigeren Bestandteile. Danach kamen eisblockierende Moleküle hinzu, die Kristallisation bereits bei niedrigeren Konzentrationen unterdrücken. Im letzten Schritt wurde das Verhältnis der nicht penetrierenden Bestandteile angepasst, um Kälteschäden entgegenzuwirken. Die heute beim Menschen eingesetzten Mittel beruhen auf diesen Entwicklungsschritten. Tomorrow.bio und das Cryonics Institute verwenden eine optimierte Version einer Lösung namens VM1, die zu ungefähr gleichen Teilen aus Dimethylsulfoxid und Ethylenglykol besteht. Andere Anbieter verwenden eigene Rezepturen. Die Ansätze unterscheiden sich hinsichtlich der Kosten und der öffentlich verfügbaren Angaben zur Zusammensetzung; VM1 ist pro Fall deutlich günstiger. Forschende nutzen inzwischen eine Kenngrösse namens qv*, um die Toxizität abzuschätzen. Sie soll helfen, Mischungen zu entwickeln, die eine zuverlässige Vitrifikation ermöglichen und das Gewebe möglichst wenig schädigen. Entscheidend ist: Kryoprotektive Lösungen werden laufend weiterentwickelt, um die Gewebestruktur bei der Konservierung möglichst gut zu erhalten, das Thema von der Weiterentwicklung des Feldes.
Das ungelöste Problem beim Wiedererwärmen
Eine weitere Schwierigkeit entsteht beim Wiedererwärmen. Bei kryogenen Temperaturen laufen chemische Reaktionen äusserst langsam ab, sodass die toxische Wirkung der Kryoprotektiva stark vermindert ist. Beim Wiedererwärmen wird die Toxizität erneut zum Problem. Beim Wiedererwärmen müssten die Mittel schnell und vollständig entfernt werden, damit sie das Gewebe nicht schädigen. Wie die Mittel dabei schonend entfernt werden könnten, ist heute noch ungelöst und müsste vor einer möglichen Wiederbelebung geklärt werden. Eine Wiederbelebung nach einer solchen Konservierung ist derzeit nicht möglich. Dahinter steht die Hoffnung, dass eine künftige Medizin, die die ursprüngliche Todesursache behandeln könnte, auch das kontrollierte Wiedererwärmen beherrschen würde. Die erhaltenen Gewebestrukturen könnten dafür eine Grundlage bieten.
Ein grosser Teil der laufenden Forschung bei Tomorrow.bio und anderen Einrichtungen untersucht deshalb, wie sich ausreichender Schutz vor Eisbildung bei möglichst geringer Toxizität erreichen lässt. Verbesserungen der Mischung sollen dazu beitragen, die Gewebestruktur beim Abkühlen auf −196 °C besser zu erhalten.
Kurz gesagt: Kryoprotektiva verringern die Eisbildung und machen die Vitrifikation möglich. Sie können jedoch auch toxisch wirken und osmotischen Stress verursachen. Deshalb müssen Konzentration, Temperatur und Zufuhr sorgfältig kontrolliert werden.
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