Das medizinische Frostschutzmittel (auch Kryoprotektivum genannt)

WennVitrifizierung das Ziel ist, einen Körper in einen stabilen glasartigen Zustand zu versetzen statt in zerstörerisches Eis, dann sind Kryoprotektiva der Trick, der es physikalisch möglich macht. Sie sind fast wörtlich medizinisches Frostschutzmittel. Und wie viele der wichtigsten Werkzeuge in diesem Bereich haben sie einen scharfen Kompromiss. Das gesamte Verfahren ist darauf ausgelegt. Das, was das Gewebe vor Eis schützt, ist in der falschen Dosis auch giftig für es. Kryoprotektiva zu verstehen bedeutet, zu verstehen, wie diese Spannung bewältigt wird.

Warum Eis um jeden Preis gestoppt werden muss

Beginne mit dem Feind. Wenn Wasser in einem Körper gefriert, verursacht es gleichzeitig zwei Arten von Schäden. Der erste ist mechanisch: Wenn Eiskristalle wachsen, zerdrücken sie die umliegenden Zellen in sich verengende Kanäle aus ungefrorener Flüssigkeit und verformen die feinen Strukturen im Inneren. Der zweite ist chemisch: Wenn reines Wasser gefriert, wird alles, was darin gelöst war, in die schrumpfende verbleibende Flüssigkeit gepresst, wodurch Salze und gelöste Stoffe konzentriert werden, bis dieser Flüssigkeitsbereich giftig wird. Jeder Schaden allein wäre schlimm. Zusammen machen sie normales Gefrieren zu einer zuverlässigen Methode, die genauen Strukturen zu zerstören, diedich ausmachen.

Kryoprotektiva sorgen dafür, dass Eis erst gar nicht entsteht. Statt zu gefrieren, geht das Gewebe in den glasartigen, vitrifizierten Zustand über, und die Struktur bleibt so gut erhalten, wie die Perfusion es zulässt.

Was Kryoprotektiva eigentlich sind

Ein kryoprotektiver Wirkstoff verhält sich ähnlich wie das Frostschutzmittel, das du in den Kühler eines Autos gibst: Er löst sich in Wasser und senkt die Temperatur, bei der dieses Wasser sonst kristallisieren würde. Die medizinischen Versionen, die in der Kryonik verwendet werden, wie Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO), werden genau dafür ausgewählt und gemischt. Sie gehören zu zwei Familien, die als Team funktionieren:

• Penetrierende Wirkstoffe durchdringen die Zellmembran und verhindern, dass sich Eisinnerhalb der Zelle bildet.
• Nicht-penetrierende Wirkstoffe bleiben außerhalb der Zelle und verhindern, dass sich Eis in den Zwischenräumenzwischen den Zellen bildet, wo es tendenziell zuerst auftritt. Penetrierende Wirkstoffe durchdringen die Zellmembran und ersetzen einen Großteil des Wassers im Inneren, sodass sich kein Eis innerhalb der Zelle selbst bilden kann.

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

Der Toxizitätskompromiss, der die eigentliche Geschichte ist

Hier ist die Spannung, die das gesamte Feld der Kryoprotektion definiert. Um zuverlässig zu vitrifizieren, musst du einen Großteil des Körperwassers durch Kryoprotektionsmittel ersetzen. Aber je höher die Konzentration, desto giftiger wird das Mittel für das Gewebe. Nimm zu wenig und du bekommst Eis. Nimm zu viel und du bekommst chemische Schäden. Die Kunst besteht darin, den schmalen Grat dazwischen zu finden.

Zwei Fakten machen diesen Grat begehbar. Erstens hängt die Toxizität stark von der Temperatur ab: Ein Mittel, das Gewebe im warmen Zustand schädigen würde, ist im kalten Zustand viel harmloser. Deshalb werden die Kryoprotektionsmittel schrittweise in steigender Konzentration eingeführt, während der Körper gleichzeitig gekühlt wird, sodass die Toxizität in jedem Schritt niedrig 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 hinzubekommen ist ein aktives Forschungsproblem, und ihre Verbesserung ist einer der konkreten Hebel fürdie zukünftige Wiederbelebungsqualität.

Die Lösungen selbst werden immer besser

Das heute verwendete Kryoprotektionsmittel ist kein einzelner Stoff, sondern ein sorgfältig abgestimmter Cocktail, und es ist das Ergebnis jahrzehntelanger Iterationen. Der Kryobiologe Greg Fahy entwickelte seine Vitrifizierungslösungen in Generationen. Jede Generation behob einen Fehler der vorherigen. Frühe Ein-Mittel-Mischungen wichen Mischungen aus DMSO mit Amiden und Propylenglykol. Später ersetzte Ethylenglykol die giftigeren Komponenten. Dann kamen eisblockierende Moleküle, die die Kristallisation bei niedrigeren Konzentrationen unterdrücken. Der letzte Schritt passte das Gleichgewicht der nicht eindringenden Komponenten an, um Kälteschäden zu vermeiden. Die aktuellen, für den menschlichen Gebrauch zugelassenen Mittel stehen am Ende dieser Entwicklung. 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. Die beiden stehen für unterschiedliche Kompromisse zwischen Kosten und Dokumentation. VM1 ist pro Fall deutlich günstiger. Forscher haben sogar ein Vorhersagemodell für Toxizität, geschrieben qv*, das bei der Entwicklung von Mischungen hilft, die zuverlässig vitrifizieren und dabei möglichst wenig Schaden anrichten. Der Punkt ist, dass "das Kryoprotektionsmittel" keine feste Sache ist, sondern eine sich bewegende Grenze, und jede Verbesserung erhöht direkt die Genauigkeit einer Konservierung, das Thema vonder Weiterentwicklung des Feldes.

Das offene Problem, das niemand verschweigt

Es gibt noch eine weitere ehrliche Komplikation. Bei kryogenen Temperaturen sind Kryoprotektionsmittel überhaupt nicht giftig, weil nichts reagiert; alles ist pausiert. Die Toxizität ist ein Problem derWiedererwärmung. Auf dem Weg nach oben müssten die Mittel schnell und sauber entfernt werden, um Gewebeschäden zu vermeiden. Das gut zu machen, ist ein Problem für die zukünftige Medizin, die sich mit der Wiederbelebung befassen würde. Es ist heute nicht lösbar. Wir sagen das offen, weileine Wiederbelebung derzeit nicht möglich ist und so zu tun, als wäre es anders, wäre unehrlich. Die Wette ist, 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, woran sie arbeiten kann.

Dieser Balanceakt, mehr Frostschutzmittel versus weniger Toxizität, ist genau dort, wo ein Großteil der aktuellen Forschung bei Tomorrow.bio und anderswo liegt. Jede Verbesserung der Mischung ist eine direkte Verbesserung dafür, wie getreu eine Person ihre Struktur auf dem Weg zu-196°C überlebt.

Weiterführende Literatur

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