Wenn Vitrifikation das Ziel ist, also einen Körper in einen stabilen, glasartigen Zustand statt in zerstörerisches Eis zu überführen, dann sind Kryoprotektiva der Kunstgriff, der das physikalisch möglich macht. Sie wirken dabei ähnlich wie Frostschutzmittel. Ihr Einsatz erfordert allerdings eine sorgfältige Abwägung zwischen Schutzwirkung und Toxizität. Diese Abwägung bestimmt den gesamten Ablauf des Verfahrens. Dieselbe Substanz, die das Gewebe vor Eisbildung schützt, kann es bei zu hoher Dosierung schädigen. Um die Wirkung von Kryoprotektiva zu verstehen, muss man deshalb sowohl ihren Nutzen als auch ihre schädlichen Wirkungen betrachten.
Warum Eis um jeden Preis verhindert werden muss
Warum ist Eisbildung im Gewebe so schädlich? Wenn Wasser im Körper gefriert, entstehen zwei Arten von Schäden gleichzeitig. Mechanische Schäden entstehen, wenn wachsende Eiskristalle die umliegenden Zellen in immer engere Zwischenräume mit ungefrorener Flüssigkeit drängen und dabei die feinen Strukturen im Zellinneren verformen. Chemische Schäden entstehen, weil beim Gefrieren von Wasser Salze und andere gelöste Stoffe in der verbleibenden Flüssigkeit zurückbleiben. Ihre Konzentration steigt dabei so stark an, dass sie das Gewebe schädigen können. Jede dieser Schadensarten wäre für sich genommen bereits problematisch. Zusammen können diese Vorgänge beim gewöhnlichen Gefrieren auch jene Strukturen zerstören, die bestimmen, wer du bist.
Kryoprotektiva sollen dafür sorgen, dass gar kein Eis entsteht. Das Gewebe geht dabei in einen glasartigen Zustand über. Wie gut seine Struktur erhalten bleibt, hängt auch davon ab, wie gleichmäßig es über die Blutgefäße mit der Lösung durchströmt wird.
Was Kryoprotektiva tatsächlich sind
Ein Kryoprotektivum verhält sich ganz ähnlich wie das Frostschutzmittel im Kühler eines Autos: Es löst sich in Wasser und senkt die Temperatur, bei der dieses Wasser sonst kristallisieren würde. Die medizinischen Varianten, die in der Kryonik verwendet werden, etwa Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO), werden genau für diese Aufgabe ausgewählt und gemischt. Dabei werden zwei Gruppen von Substanzen kombiniert:
- Penetrierende Wirkstoffe durchdringen die Zellmembran und verhindern, dass sich Eis innerhalb der Zelle bildet.
- Nicht penetrierende Wirkstoffe bleiben außerhalb der Zellen und hemmen dort die Eisbildung in den Zwischenräumen zwischen den Zellen. In diesen Zwischenräumen entstehen meist die ersten Eiskristalle.
Die Kombination beider Gruppen hat einen entscheidenden Vorteil. Da die nicht penetrierenden Wirkstoffe die Eisbildung außerhalb der Zellen hemmen, reichen im Zellinneren geringere Konzentrationen der penetrierenden Wirkstoffe aus. Denn hohe Wirkstoffkonzentrationen können das Gewebe schädigen.
Schutz vor Eisbildung und Toxizität abwägen
Die zentrale Schwierigkeit der Kryoprotektion besteht darin, Eisbildung zu verhindern und zugleich das Gewebe möglichst wenig zu schädigen. Um zuverlässig zu vitrifizieren, muss ein Großteil des Körperwassers durch Kryoprotektivum ersetzt werden. Doch je höher die Konzentration, desto toxischer wirkt der Wirkstoff auf das Gewebe. Bei zu geringer Konzentration entsteht Eis. Bei zu hoher Konzentration wird das Gewebe chemisch geschädigt. Gesucht ist daher eine Konzentration, die ausreichend vor Eisbildung schützt und das Gewebe möglichst wenig schädigt.
Zwei Eigenschaften der Kryoprotektiva helfen dabei. Erstens hängt die Toxizität stark von der Temperatur ab: Ein Wirkstoff, der bei höherer Temperatur das Gewebe schädigen würde, ist bei niedrigerer Temperatur weniger toxisch. Deshalb werden die Kryoprotektiva schrittweise, in steigender Konzentration, eingebracht, während der Körper gleichzeitig gekühlt wird, sodass die Toxizität in jedem Schritt niedrig bleibt. Zweitens kann eine geeignete Wirkstoffmischung weniger toxisch sein als ein einzelner Wirkstoff in der für die Vitrifikation erforderlichen Konzentration. An der optimalen Zusammensetzung solcher Mischungen wird intensiv geforscht. Verbesserungen könnten dazu beitragen, Gewebe für eine mögliche spätere Wiederbelebung besser zu erhalten.
Die Lösungen selbst werden laufend besser
Das heute verwendete Kryoprotektivum ist keine einzelne Chemikalie, sondern ein sorgfältig abgestimmter Cocktail, das Ergebnis jahrzehntelanger Weiterentwicklung. Der Kryobiologe Greg Fahy entwickelte seine Vitrifikationslösungen schrittweise weiter. Jede neue Variante behob einen Schwachpunkt ihrer Vorgängerin. Frühe Mischungen mit nur einem Wirkstoff wichen Kombinationen aus DMSO mit Amiden und Propylenglykol. Ethylenglykol ersetzte anschließend die toxischeren Bestandteile. Als Nächstes kamen eisblockierende Moleküle hinzu, die Kristallisation bei niedrigeren Konzentrationen unterdrücken. Im letzten Schritt wurde das Verhältnis der nicht penetrierenden Bestandteile angepasst, um Kälteschäden entgegenzuwirken. Die heute beim Menschen eingesetzten Mittel sind das Ergebnis dieser Entwicklung. Tomorrow.bio und das Cryonics Institute verwenden eine optimierte Version einer Lösung namens VM1. Sie besteht zu etwa gleichen Teilen aus Dimethylsulfoxid und Ethylenglykol. Andere Anbieter verwenden selbst entwickelte Rezepturen. Die Ansätze unterscheiden sich hinsichtlich der Kosten und der verfügbaren Dokumentation. VM1 ist pro Fall deutlich günstiger. Mithilfe der Kenngröße qv* lässt sich die Toxizität abschätzen. Das erleichtert die Entwicklung von Mischungen, die eine zuverlässige Vitrifikation ermöglichen und das Gewebe dabei möglichst wenig schädigen. Kryoprotektiva werden laufend weiterentwickelt. Verbesserte Lösungen können die Gewebestruktur besser erhalten und damit das Feld voranbringen.
Ein ungelöstes Problem: die Wiedererwärmung
Eine weitere Schwierigkeit bleibt ungelöst. Bei kryogenen Temperaturen laufen chemische Reaktionen äußerst langsam ab, sodass toxische Wirkungen der Kryoprotektiva kaum eine Rolle spielen. Bei der Wiedererwärmung wird die Toxizität erneut zum Problem. Beim Wiedererwärmen müssten die Wirkstoffe rasch und schonend aus dem Gewebe entfernt werden, um Schäden zu vermeiden. Eine künftige Wiederbelebung würde voraussetzen, dass sich auch dieses Problem medizinisch lösen lässt. Dafür gibt es bisher keine Lösung. Eine Wiederbelebung ist derzeit nicht möglich. Dahinter steht die bislang unbestätigte Hoffnung, dass die Medizin künftig sowohl die ursprüngliche Todesursache behandeln als auch eine kontrollierte Wiedererwärmung ermöglichen könnte. Die erhaltenen Gewebestrukturen müssten dafür eine ausreichende Grundlage bieten.
Ein Großteil der laufenden Forschung bei Tomorrow.bio und anderen Einrichtungen untersucht, wie sich der Schutz vor Eisbildung verbessern und zugleich die Toxizität verringern lässt. Eine verbesserte Mischung kann dazu beitragen, die Gewebestrukturen beim Abkühlen auf −196 °C besser zu erhalten.
Kurz gesagt: kryoprotektiva verringern die Eisbildung und machen Vitrifikation möglich. Sie können jedoch auch toxisch wirken und osmotischen Stress verursachen. Deshalb müssen Konzentration, Temperatur und die Zufuhr der Lösungen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.
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