Wer bei einem Abendessen erzählt, beruflich mit Kryonik zu tun zu haben, hört fast immer dieselbe Reaktion: «Sie frieren also Menschen ein?» Diese Vorstellung von Kryonik ist weit verbreitet, trifft aber in einem wesentlichen Punkt nicht zu. Kryonik friert keine Menschen ein. Beim Einfrieren kann ein Gehirn, dessen Struktur man erhalten möchte, schwer geschädigt werden. Das eingesetzte Verfahren heisst Vitrifikation: Das Gewebe geht in einen glasartigen Zustand über, ohne dass Eiskristalle seine Struktur zerreissen.
Warum diese Unterscheidung wichtig ist, zeigt das Verhalten von Wasser beim Abkühlen: Der menschliche Körper besteht überwiegend aus Wasser; beim Gehirn macht es rund 73 Prozent des Gewichts aus.
Was beim Einfrieren tatsächlich passiert
Wasser hat eine Eigenschaft, die bei der Kryokonservierung problematisch ist: Es dehnt sich beim Gefrieren aus. Kühlt flüssiges Wasser auf 0 °C ab, verlangsamen sich seine Moleküle und ordnen sich zu einem starren Kristallgitter, das rund 9 Prozent mehr Raum einnimmt als die Flüssigkeit zuvor. Deshalb platzt eine vergessene Flasche im Gefrierfach. Und deshalb schädigt Einfrieren lebendes Gewebe so stark.
Beim Gefrieren grösserer Gewebeproben entsteht das meiste Eis zwischen den Zellen und nicht in ihrem Inneren. Dabei wird das Gewebe auf zwei Arten gleichzeitig geschädigt. Das wachsende Eis drängt die Zellen in immer kleinere Räume und verformt das umliegende Gewebe. Gleichzeitig steigt die Konzentration von Salzen und anderen gelösten Stoffen in der verbleibenden Flüssigkeit, weil beim Gefrieren reines Wasser als Eis aus der Lösung ausgeschieden wird. Die hohen Konzentrationen können die Zellen schädigen. Das Gewebe wird also gleichzeitig mechanisch und chemisch geschädigt.
Diesen Effekt kennt man im Kleinen. Wer eine Erdbeere einfriert und wieder auftaut, erhält eine matschige Frucht: Eiskristalle haben die Zellwände beschädigt, sodass das Gewebe seine Festigkeit verloren hat. Stellen Sie sich nun vor, solche Schäden entstehen im Gehirn, dessen genaue Struktur für seine Funktion entscheidend ist. Im Gehirn müssen solche Kristallschäden vermieden werden, denn Gedächtnis und Identität hängen mit der genauen Verschaltung der Nervenzellen zusammen. Diesen Zusammenhang erläutert der Artikel «Gedächtnis, Identität und das Gehirn».
Vitrifikation: fest, aber ohne Eis
Mit der Vitrifikation soll diese Eisbildung verhindert werden. Der Begriff leitet sich vom lateinischen Wort «vitrum» für Glas ab und bezeichnet den Übergang in einen glasartigen Zustand. Eine vitrifizierte Substanz ist fest, hat aber keine kristalline Struktur. Beim Abkühlen bewegen sich die Moleküle immer langsamer, bis ihre ungeordnete Anordnung aus dem flüssigen Zustand erhalten bleibt. Es bilden sich keine Eiskristalle, die sich ausdehnen und das Gewebe schädigen könnten. Ziel ist es, die Gewebestruktur beim Erstarren möglichst zu erhalten.
Damit ein menschlicher Körper vitrifiziert wird, statt zu gefrieren, sind Kryoprotektiva nötig. Bei der sogenannten Perfusion wird der grösste Teil des Körperwassers durch Kryoprotektiva ersetzt, die als eine Art medizinisches Frostschutzmittel dienen. Diese Substanzen senken die Temperatur, bei der die verbleibende Flüssigkeit kristallisieren würde, und lassen sie stattdessen in den glasartigen Zustand übergehen. Beim Abkühlen erreicht der Körper den Bereich der Glasübergangstemperatur, der bei etwa −120 °C bis −130 °C liegt. Er geht dabei in einen festen, glasartigen Zustand über. Dadurch sollen biologische Abbauprozesse weitgehend zum Stillstand kommen und die Gewebestruktur erhalten bleiben.
Wie Vitrifikation in der Praxis aussieht
Die Vitrifikation umfasst mehrere aufeinander abgestimmte Schritte und muss möglichst rasch nach der Feststellung des Todes beginnen. Nach der Feststellung des Todes muss rasch gehandelt werden, denn mit jeder Minute kann der Zerfall der Zellen die Gewebestruktur weiter schädigen. Es geht um den Wettlauf gegen den zellulären Abbau, um den Bereitschaftsteam stabilisiert den Patienten, stellt den Kreislauf wieder her und beginnt mit der raschen Kühlung, wobei die Körpertemperatur oberhalb des Gefrierpunkts gehalten wird, damit sich kein Eis bildet, bevor die Schutzstoffe eingebracht sind.
Danach folgt die Perfusion: Das Kryoprotektivum wird mit langsam ansteigender Konzentration in den Kreislauf eingebracht und ersetzt dabei schrittweise das Körperwasser, während die Temperatur weiter sinkt. Erst wenn das Gewebe mit dem Kryoprotektivum gesättigt ist, wird der Patient weiter abgekühlt, bis die Temperatur für die Langzeitlagerung in einem Dewargefäss bei −196 °C liegt, in einem Dewargefäss. Alle Schritte sollen dafür sorgen, dass das Gewebe ohne Eisbildung in einen glasartigen Zustand übergeht.
Wenn Sie das nächste Mal gefragt werden, ob bei der Kryonik «tote Menschen eingefroren» werden, können Sie den Unterschied erklären. Nein. Bei der Vitrifikation soll die Bildung von Eiskristallen verhindert werden, weil diese die Gewebestruktur schädigen würden, die erhalten bleiben soll.
Kurz gesagt: Beim Einfrieren entstehen Eiskristalle, die Gewebe schädigen. Die Vitrifikation nutzt Kryoprotektiva und kontrollierte Kühlung, um einen glasartigen Zustand mit deutlich weniger Eisbildung zu erreichen.
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