Bei der Kryokonservierung werden Zellen, Gewebe und andere biologische Materialien durch Abkühlung auf sehr niedrige Temperaturen konserviert. Während dieses Prozesses muss unbedingt die Bildung von Eiskristallen vermieden werden, die andernfalls die Zellmembranen zerstören und sie unbrauchbar machen. Um das Risiko der Eiskristallbildung zu verringern, werden Kryoprotektionsmittel eingesetzt.
Wie wirken Kryoprotektionslösungen?
Kryoprotektiva, auch Kryoprotektiva oder CPAs genannt, sind eine Art medizinisches Frostschutzmittel, das durch einen Prozess namens Perfusion eingeführt wird. Sie schützen vor Eisbildung und führen zur Verglasung, d. h. zur Umwandlung einer Substanz in einen glasartigen, amorphen Zustand. Derzeit wird die Kryokonservierung erfolgreich für die Lagerung von Stammzellen, die Technologie der assistierten Reproduktion und sogar für die Konservierung bestimmter Tiere, Pflanzen und Samen eingesetzt [4]. Zu den heute am häufigsten verwendeten CPAs gehören Dimethylsulfoxid (DMSO) und Ethylenglykol.
Leider sind beide Wirkstoffe bis zu einem gewissen Grad toxisch, so dass vor der Erwärmung komplexer zellulärer Organismen zusätzliche Schäden repariert werden müssten. Ihre Toxizität erfordert auch, dass sie bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt verabreicht werden.
Dies ist ein Grund, weshalb Kryokonservierung noch nicht zur Lagerung und Spende von Organen verwendet werden kann und auch noch keine Reanimation möglich ist. Derzeit werden60% aller Spenderherzen und -lungen nicht verwendet oder transplantiert, was zum Teil daran liegt, dass die maximale hypothermische Konservierungszeit überschritten wird. Diese Verschwendung könnte mit Kryokonservierung überwunden werden [1]. Eines der Haupthindernisse ist die unzureichende Zeit, in der Kryoprotektionslösungen in die Zellen eindringen können, bevor sie toxisch werden.
Aufregende neue Forschungsergebnisse, die kürzlich im Zeitschrift für Materialchemie B veröffentlicht wurden, zeigen das Potenzial für eine verbesserte Wirksamkeit neuer Kryoprotektoren bei Organtransplantationen. Der leitende Forscher Dr. Saffron Bryant und sein Team an der RMIT University fanden heraus, dass die Verwendung von tief eutektischen Lösungsmitteln als Kryoprotektoren die Toxizität reduziert und das Ergebnis von Kryoprotektoren auf die Lebensfähigkeit von Zellen nach dem Auftauen verbessert. Dies ist eines der ersten und einzigen Male, dass diese Klasse von Lösungsmitteln systematisch für die Kryokonservierung von Säugetierzellen getestet wurde [4].
Was sind stark eutektische Lösungsmittel?
Stark eutektische Lösungsmittel (DES) sind Mischungen von Wasserstoffbrückenbindungsdonoren und -akzeptoren, deren Schmelzpunkte weit unter denen der einzelnen Komponenten liegen [2][3]. Sie kombinieren bereits untersuchte Kryoprotektionslösungen mit anderen organischen Komponenten, um Zellstrukturen und Reaktivität zu verändern. Dies ermöglicht eine umfassende Feinabstimmung der chemischen Strukturen für einzigartige Anwendungen ohne das Risiko der Toxizität.
In dieser Studie wurden sechs DES auf kryoprotektive Fähigkeiten bei Säugetierzellen untersucht, die verschiedene Verhältnisse von Mischungen aus Galaktose (Gal) oder Glycerin (Gly) mit entweder Cholinchlorid (ChCl), Betain (Bet) oder Prolin (Prol) enthielten [4]. Sie wurden auf Toxizität, thermisches Verhalten, Vitrifizierungsübergang und schließlich ihre kryoprotektive Fähigkeit gegenüber vier verschiedenen menschlichen Zelltypen, darunter Haut- und Gehirnzellen, getestet [4].
Wie stark eutektische Lösungsmittel den Bereich der Kryokonservierung beeinflussen
Ergebnisse zeigten, dass eine Kombination von Prolin und Glycerin (Prol-Gly) fast genauso wirksam war wie DMSO, ohne dass die Lebensfähigkeit der Zellen nach dem Auftauen deutlich abnahm, selbst bei einer längeren Inkubation vor dem Einfrieren [4].
Diese Ergebnisse unterstützen die derzeitige Praxis der Kombination von Kryoprotektionslösungen und zeigen deutlich, wie wichtig der Einsatz von Mehrkomponentensystemen ist, um Toxizität zu verringern und eine langfristige Lebensfähigkeit der Kryokonservierung zu verbessern, anstatt einzelne Kryoprotektiva zu verwenden.
Dies ist immer noch eine potenziell neue Anwendung, und es sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, bevor tief eutektische Lösungsmittel für die Kryokonservierung von Geweben und Organen verwendet werden können. Diese Studie gibt jedoch einen Einblick in das Potenzial von Tausenden potenziell neuer Kryoprotektionsmittel, die schließlich zu verbesserten Technologien und Verfahren führen könnten, die unsere Sichtweise der Biostase revolutionieren könnten.
Insbesondere könnten diese Erkenntnisse zur Weiterentwicklung neuer Kryoprotektionslösungen führen, die auf bestimmte Zelltypen zugeschnitten sind [4]. Zu gegebener Zeit könnte dies zu einer effektiven Organlagerung und sogar zu neuen Fortschritten bei der Kryokonservierung und Wiederbelebung führen.
Fazit
Die Forschung hat gerade erst begonnen, die Wirkung neuer CPAs auf einzelne Zellen zu untersuchen. Wenn man das gesamte Organ (oder den Organismus) als Ganzes betrachtet, wird der Prozess viel komplizierter. Diese Anwendung eignet sich möglicherweise nicht für die Kryokonservierung beim Menschen, da die in der Studie identifizierten neuen Kryoprotektiva im Vergleich zu den derzeit verwendeten CPAs eine geringe Penetrationsrate (nicht durchdringende CPAs) zu haben scheinen. Dennoch bieten die Ergebnisse spannende Implikationen für die Zukunft der Forschung und Entwicklung in der kryonik.
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Referenzen
[1] Manuchehrabadi, N., Gao, Z., Zhang, J., Ring, H. L., Shao, Q., Liu, F., McDermott, M., Fok, A., Rabin, Y., Brockbank, K. G. M., Garwood, M., Haynes, C. L., & Bischof, J. C. (2017, March 1). Verbesserte Kryokonservierung von Gewebe durch induktive Erwärmung von magnetischen Nanopartikeln. Science Translational Medicine. Abgerufen am 13. Juli 2022, von https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5470364/.
[2] Abbott, A. P., Capper, G., Davies, D. L., Rasheed, R. K., & Tambyrajah, V. (2002, November 26). Neuartige Lösungsmitteleigenschaften von Cholinchlorid/Harnstoff-Mischungen. Chemische Mitteilungen. Abgerufen am 13. Juli 2022, von https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2003/cc/b210714g
[3] Bryant, S. J., Christofferson, A. J., Greaves, T. L., McConville, C. F., Bryant, G., & Elbourne, A. (2021, October 29). Bulk- und Grenzflächen-Nanostruktur und Eigenschaften in tiefen eutektischen Lösungsmitteln: Current perspectives and Future Directions. Zeitschrift für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Abgerufen am 13. Juli 2022, von https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979721018415?via%3Dihub
[4] Bryant, S. J., Awad, M. N., Elbourne, A., Christofferson, A. J., Martin, A. V., Meftahi, N., Drummond, C. J., Greaves, T. L., & Bryant, G. (2022, May 31). Tiefe eutektische Lösungsmittel als Kälteschutzmittel für Säugetierzellen. Journal of Materials Chemistry B. Abgerufen am 13. Juli 2022, von https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TB/D2TB00573E
