Die klassische Lagerung vollständig in flüssigem Stickstoff ist technisch kaum einfacher zu lösen. Nun muss sich zeigen, ob die geringere thermische Belastung bei ITS den höheren technischen Aufwand rechtfertigt.
Die Schwachstelle zeigt sich im letzten Teil der Abkühlung. Vitrifiziertes Gewebe verhält sich mechanisch wie Glas und zieht sich beim weiteren Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff zusätzlich zusammen.
Bei Intermediate Temperature Storage, kurz ITS, soll der Körper eines Patienten bei einer höheren Temperatur sicher im glasartigen Zustand bleiben, sodass geringere thermomechanische Spannungen entstehen.
Die Idee ist vielversprechend. Die technische Umsetzung ist anspruchsvoller, als die Beschreibung „Lagerung bei etwa −140 °C“ vermuten lässt.
Inzwischen gibt es einen solchen Lagerungsbehälter auch für einen ganzen menschlichen Körper. Im August 2026 traf der erste ITS-Dewar für einen ganzen menschlichen Körper in der Einrichtung der EBF ein, wo Tomorrow.bio ihn nun testet.
Das Problem beginnt beim Glasübergang
Eine Lösung mit Kryoprotektiva geht nicht bei einer einzigen, exakt definierten Temperatur in den glasartigen Zustand über. Ihre Viskosität steigt über einen Übergangsbereich hinweg an, während die molekulare Bewegung extrem langsam wird.
Die angegebene Glasübergangstemperatur Tₘ ist ein Referenzwert, der unter festgelegten Messbedingungen bestimmt wird.
Oberhalb dieses Bereichs können sich mechanische Spannungen abbauen, weil das Material innerhalb des betrachteten Zeitraums noch fließen kann. Darunter verhält sich das vitrifizierte Material zunehmend wie ein spröder Festkörper.
Beim weiteren Abkühlen zieht sich das Material zusammen. Gewebe, Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen an Kryoprotektiva und Trägermaterialien können sich dabei unterschiedlich stark zusammenziehen.
Bei einem großen Körper entstehen zudem Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Bereichen. Die äußeren Bereiche reagieren auf die Umgebung, bevor der Kern dieselbe Temperatur erreicht.
Diese Unterschiede erzeugen Spannung. Übersteigt die Zugspannung die lokale Festigkeit des vitrifizierten Materials, kann ein Riss entstehen.
Thermomechanische Modellrechnungen, die in begutachteten Fachpublikationen veröffentlicht wurden, zeigen, dass Geometrie, Abkühlverlauf und Temperaturgradienten gemeinsam die mechanischen Spannungen in großen vitrifizierten Proben beeinflussen.
Warum langsames Abkühlen hilft, aber nicht alles löst
Langsames, gleichmäßiges Abkühlen verringert die Temperaturunterschiede im Patienten. Wird die Temperatur nahe dem Übergangsbereich eine Zeit lang konstant gehalten, können sich Spannungen teilweise abbauen, bevor weiter abgekühlt wird.
Deshalb nutzt Tomorrow.bio eine kontrollierte Kühlkurve für die letzten Phasen der Abkühlung des gesamten Körpers.
Die Abkühlrate ist nicht die einzige Variable. Verbindungen zwischen Gewebe, Behälteroberflächen und Trägerstrukturen können weiterhin Spannung erzeugen, da sich die Materialien unterschiedlich stark zusammenziehen.
Auch die Größe und Form des menschlichen Körpers spielen eine Rolle. Ein Abkühlverfahren, das bei einer kleinen Lösungsprobe Risse verhindert, verhindert sie nicht zwangsläufig auch im ganzen Körper.
Neuere experimentelle Arbeiten bestätigen, dass die Rissbildung nicht nur von der Endtemperatur, sondern auch stark von der Glasübergangstemperatur Tₘ und den Materialeigenschaften des Kryoprotektivums abhängt.
Da bei ITS weniger weit unter Tₘ abgekühlt wird, fällt eine wesentliche Ursache thermomechanischer Spannungen schwächer aus. Damit ist jedoch nicht nachgewiesen, dass sämtliche Ursachen der Rissbildung beseitigt sind.
Für ITS ist ein Temperaturbereich entscheidend
„Etwa −140 °C“ ist ein nützlicher Orientierungswert. Dieser Wert eignet sich jedoch nicht als allgemeiner Sollwert für alle Patienten und alle Zusammensetzungen von Kryoprotektiva.
Die obere Temperaturgrenze muss weit genug unter dem maßgeblichen Übergangsbereich liegen, damit das gesamte mit Kryoprotektiva geschützte Gewebe trotz Temperaturunterschieden, Messunsicherheiten und Regelschwankungen im glasartigen Zustand bleibt.
Die untere Temperaturgrenze wird so gewählt, dass die zusätzliche Kontraktion und die damit verbundenen Spannungen vermieden werden, die ITS begrenzen soll.
Bei der Festlegung eines sicheren Temperaturbereichs für den Betrieb muss die Konzentration des Kryoprotektivums berücksichtigt werden. Bereiche, die von der Schutzlösung nur unzureichend durchströmt wurden, können sich beim Abkühlen anders verhalten als gut geschützte Bereiche.
Bei der Festlegung dieses Temperaturbereichs muss auch berücksichtigt werden, wo die Temperatur gemessen wird. Ein Sensor meldet seine eigene Temperatur, nicht die Temperatur jedes Punkts im menschlichen Körper.
Der Behälter muss daher so konstruiert sein, dass auch die wärmsten zu schützenden Bereiche ausreichend kalt bleiben und die kältesten nicht unnötig weiter abkühlen.
Warum gewöhnlicher Stickstoffdampf nicht ausreicht
Im Raum über flüssigem Stickstoff ist es kalt, doch die Temperatur ist dort ohne zusätzliche Maßnahmen nicht überall gleich.
Gas nahe der Flüssigkeitsoberfläche ist kälter als Gas nahe dem Deckel. Wärme dringt über Hals und Wände ein und erzeugt vertikale und radiale Gradienten.
Würde ein Patient ohne weitere Maßnahmen über der Flüssigkeit gelagert, ließe sich keine einheitliche Lagerungstemperatur für den gesamten Körper gewährleisten.
Ein ITS-System muss im Inneren so aufgebaut sein, dass es diese Temperaturunterschiede ausgleicht und den Wärmefluss in der Umgebung des Patienten gezielt steuert.
Veröffentlichte ITS-Konzepte kombinieren wärmeleitende Auskleidungen, isolierte Patientenkammern, Stickstoffdampf und eine geregelte elektrische Heizung.
Eine Heizung erscheint dabei zunächst widersinnig. Die Heizung hält die mit Stickstoff gekühlte Kammer auf einer konstanten Temperatur oberhalb der Temperatur ihrer tiefkalten Umgebung.
Verschiedene Bauweisen für dieselbe Regelungsaufgabe
Ein ITS-Behälter kann flüssigen Stickstoff als Kältereservoir nutzen und gleichzeitig die Temperatur des Patienten im Dampfraum darüber steuern.
Eine andere Bauweise kann die effektive Kühlleistung regeln, indem sie steuert, wie stark die Lagerkammer an dieses Reservoir gekoppelt ist.
Ventilatoren, wärmeleitende Bauteile oder eine gesteuerte Gaszirkulation können für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung sorgen. Jede Komponente beeinflusst die Wärmeflüsse und verändert, welche Störungen im Behälter auftreten können.
Entscheidend ist die konkrete Bauweise, nicht allein die Bezeichnung ITS. Zwei Behälter mit demselben nominellen Sollwert können sich hinsichtlich ihrer Temperaturgradienten, Sicherheitsreserven und ihres Verhaltens bei Störungen stark unterscheiden.
Brian Wowks technischer Überblick über ITS-Systeme erläutert frühe Konzepte mit wärmeleitenden Auskleidungen und einer Regelung des Stickstoffdampfs.
Diese Prototypen zeigen physikalische Lösungsansätze. Aus ihrem Fassungsvermögen und ihren Haltezeiten lassen sich nicht ohne Weiteres entsprechende Werte für neuere Ganzkörpersysteme ableiten.
Der Regelkreis muss den gesamten Patienten erfassen
Ein Regler vergleicht die gemessene Temperatur mit einem Sollwert und steuert entsprechend die Heizung, den Stickstofffluss oder ein anderes Stellglied.
Bei einem Körper von der Größe eines Menschen reicht ein einzelner Sensor nicht aus. Er könnte einen konstanten Wert anzeigen, während die Temperatur in einem anderen Bereich bereits außerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs liegt.
Zur Validierung sollten die Temperaturen daher auf verschiedenen Höhen, in unterschiedlichen Abständen zur Mittelachse und an repräsentativen Stellen im Inneren gemessen werden, sowohl im stationären Betrieb als auch beim Übergang zwischen Betriebszuständen.
Die Sensoren müssen so platziert sein, dass sich die Temperatur der Luft oder des Stickstoffdampfs getrennt von der Körpertemperatur des Patienten erfassen lässt. Diese Temperaturen können beim Abkühlen, bei Störungen und bei der Rückkehr zum Normalbetrieb voneinander abweichen.
Auch die Regelstabilität zählt. Wenn die Regelung wiederholt über das Ziel hinausschießt und gegensteuert, kann die Temperatur zyklisch schwanken, selbst wenn ihr langfristiger Mittelwert im zulässigen Bereich liegt.
Eine Anzeige, die genau dem Sollwert entspricht, reicht als Nachweis nicht aus. Nachgewiesen werden muss vielmehr, dass die Temperatur unter realistischen Bedingungen im gesamten gelagerten Körper innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.
Bei ITS können Störungen anders verlaufen
In einem klassischen Immersions-Dewar bleibt der Patient ohne aktive Temperaturregelung nahe der Siedetemperatur von Stickstoff, solange ausreichend flüssiger Stickstoff vorhanden ist.
ITS fügt Sensoren, Regellogik, Aktoren und elektrische Systeme hinzu. Diese Komponenten verbessern die Temperaturregelung im Normalbetrieb, bringen aber zugleich zusätzliche Ausfallmöglichkeiten mit sich.
Eine sichere Konstruktion sollte gewährleisten, dass sich ein Ausfall frühzeitig erkennen lässt und die Schutzfunktionen nur schrittweise verloren gehen. Das System muss Alarm auslösen, bevor die Temperatur des Patienten einer der beiden Grenzen des validierten Temperaturbereichs zu nahe kommt.
Bei manchen mit Stickstoff gekühlten Bauweisen kann die Temperatur in der Kammer beim Ausfall der Heizung oder der Gaszirkulation sinken, statt zu steigen.
Eine solche Abkühlung kann den glasartigen Zustand erhalten, zugleich aber das Rissrisiko erhöhen. Das mag einer Erwärmung über die sichere obere Grenze vorzuziehen sein, ist aber nicht harmlos.
Andere Ausfälle können den Stickstoffbestand verringern oder den Patienten von der Kältequelle isolieren. Wie sich eine Störung auswirkt, hängt von der Bauweise des jeweiligen Behälters ab.
Deshalb muss in Versuchen geprüft werden, ob die passive Absicherung während einer Störung tatsächlich funktioniert; das bloße Vorhandensein von flüssigem Stickstoff im System reicht als Nachweis nicht aus.
Was bei der Validierung geprüft werden muss
Zu Beginn der Inbetriebnahme wird ein mit Messsensoren ausgestatteter Prüfkörper eingesetzt, dessen Größe, Wärmekapazität und Form denen des Patienten entsprechen.
Die Tests sollten die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung im stationären Betrieb, das Abkühlverhalten, den Stickstoffverbrauch, den Strombedarf und zyklische Temperaturschwankungen erfassen.
Dabei sollten gezielt Sensorfehler, Reglerfehler, blockierte Ventile, ein Stromausfall, ein aufgebrauchter Stickstoffvorrat, ein Ausfall der Kommunikation und ein verspätetes Eingreifen des Personals simuliert werden.
Die Rückkehr zum Normalbetrieb ist ebenso wichtig wie der Verlauf der Störung selbst. Die Temperatur sollte wieder in den validierten Bereich gelangen, ohne dass dabei gefährliche Temperaturunterschiede entstehen oder die Regelung über den Sollwert hinausschießt.
Es muss klar festgelegt sein, wie schleichende Veränderungen der Sensorgenauigkeit und widersprüchliche Messwerte erkannt werden. Redundante Sensoren nützen wenig, wenn die Software bei widersprüchlichen Werten ohne Fehlermeldung denjenigen übernimmt, der einen störungsfreien Betrieb nahelegt.
Bei der Angabe der Haltezeit müssen die Randbedingungen eindeutig benannt werden: der anfängliche Stickstoffvorrat, die Umgebungsbedingungen, die Art der Störung und die Temperaturschwelle, bei deren Erreichen die Haltezeit endet.
Ein Behälter ist erst dann für die Lagerung von Patienten einsatzbereit, wenn sein Verhalten im Normalbetrieb und bei realistisch zu erwartenden Störungen vollständig untersucht ist.
ITS könnte eine spätere Wiedererwärmung erleichtern
Bei einem Riss bleibt die mikroskopische Struktur des Gewebes auf beiden Seiten der Bruchstelle unter Umständen erhalten. Risse erschweren jedoch die Wiedererwärmung und die erneute Durchströmung des Gewebes erheblich.
Bei weniger Rissen müssten möglicherweise weniger strukturelle Schäden repariert werden, bevor sich biologische Funktionen wiederherstellen ließen.
Bei einer höheren Ausgangstemperatur wäre zudem die Temperaturdifferenz geringer, die bei einer künftigen Wiedererwärmung überwunden werden müsste. Die Probleme der Eisbildung, der Toxizität der Kryoprotektiva und einer ungleichmäßigen Erwärmung bleiben jedoch bestehen.
Die aktuelle Forschung an vitrifizierten Organen behandelt Rissbildung und Kristallisation nach wie vor als getrennte Risiken, die beide kontrolliert werden müssen.
ITS könnte damit einen Teil der Schwierigkeiten verringern, die einer Wiederherstellung biologischer Funktionen nach der Kryokonservierung entgegenstehen. ITS versetzt den Körper nicht in einen vorübergehenden Scheintod; eine spätere Wiederbelebung ist nach heutigem Stand nicht möglich.
Der aktuelle Umsetzungsstand bei Tomorrow.bio
Im öffentlich zugänglichen Forschungsplan von Tomorrow.bio wird die Entwicklung eines ITS-Systems zur Lagerung ganzer Körper als laufendes Projekt beschrieben.
Am Donnerstag, dem 13. August 2026, nahm Tomorrow.bio in der Einrichtung der EBF in Rafz seinen ersten ITS-Dewar für einen ganzen menschlichen Körper entgegen.
Das für einen ganzen menschlichen Körper ausgelegte System wurde von 21st Century Medicine entwickelt.
Damit ist Tomorrow.bio weltweit die erste Organisation für Kryokonservierung, die über einen ITS-Dewar für einen ganzen menschlichen Körper verfügt.
Der Dewar wird noch nicht routinemäßig zur Lagerung von Patienten eingesetzt. Er befindet sich in einer Testphase, die voraussichtlich mehrere Monate dauern wird.
Im Rahmen des Testprogramms werden über einen längeren Betriebszeitraum der Verbrauch an flüssigem Stickstoff, die Temperaturstabilität, die räumliche Temperaturverteilung, das Regelverhalten und die Leistungsfähigkeit des Systems untersucht.
Das Team wird außerdem Schwachstellen identifizieren und testen, wie sich das System verhält, wenn Sensoren, Steuerung, Stromversorgung oder Stickstoffzufuhr nicht normal funktionieren.
Anhand dieser Ergebnisse werden die Betriebsgrenzen, die Anforderungen an die Überwachung, die Wartungsverfahren und die Maßnahmen bei Störungen festgelegt.
Mit der Lieferung verfügt EBF nun über ein ITS-System für einen ganzen menschlichen Körper. Ob sich das System für die routinemäßige Lagerung von Patienten eignet, ist damit noch nicht nachgewiesen.
Für einen verantwortungsvollen Einsatz sind zunächst Tests mit umfassender Messtechnik, gezielte Störfalltests und eine dokumentierte Abnahme erforderlich; erst danach kann der reguläre Betrieb beginnen.
ITS im Vergleich zur klassischen Immersion
Die Verfahren lassen sich nicht einfach als „fortschrittlich“ oder „veraltet“ einordnen. Jede Bauweise verringert bestimmte Risiken und bringt andere mit sich.
Bei der klassischen Immersion bleibt die Temperatur auch ohne aktive Regelung sehr stabil, und die thermodynamischen Verhältnisse sind einfach. Die niedrigere Lagertemperatur kann jedoch dazu führen, dass sich das Gewebe stärker zusammenzieht und zusätzliche thermomechanische Spannungen entstehen.
Bei ITS wird weniger weit abgekühlt, wodurch sich die Rissbildung verringern kann. Das Verfahren erfordert eine präzisere Temperaturregelung, mehr Komponenten und einen umfassenderen Nachweis seiner Betriebssicherheit.
Für einen fundierten Vergleich müssen sämtliche Risiken berücksichtigt werden: das Ausmaß der Rissbildung, der verfügbare Temperaturspielraum, das Verhalten bei Störungen, die Haltezeit, die Wartung, die Verfahren beim Umlagern und die personellen, technischen und finanziellen Möglichkeiten der Einrichtung.
Die umgebende Lagerungseinrichtung muss den gewählten Behälter über Jahrzehnte zuverlässig betreiben können; eine einmalige Vorführung genügt nicht.
Fazit
ITS setzt an einer wesentlichen Schwachstelle der Ganzkörper-Kryokonservierung an: den mechanischen Belastungen, die entstehen, wenn ein großer vitrifizierter Körper weit unter seinen Glasübergangsbereich abgekühlt wird.
Sein Nutzen ist physikalisch plausibel und wird durch thermomechanische Forschung gestützt. Wie groß der Nutzen für einen menschlichen Patienten tatsächlich ist, hängt von der technischen Umsetzung ab und muss durch Messungen geklärt werden.
Vertrauen in die Technologie entsteht durch dokumentierte räumliche Temperaturverteilungen, Störfalltests, Erfahrungen aus dem Langzeitbetrieb und offen zugängliche Daten aus der Inbetriebnahme.
Kurz gesagt: Intermediate Temperature Storage soll mechanische Spannungen durch starkes Abkühlen verringern, indem Patienten bei Temperaturen oberhalb von −196 °C gelagert werden. Das Verfahren kann die Rissbildung verringern, erfordert aber eine aktive Temperaturregelung, zusätzliche technische Komponenten und umfangreiche Tests.
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Weiterführende Literatur