Die Bildung von Eiskristallen bei den für die Kryokonservierung erforderlichen extremen Temperaturen muss unbedingt vermieden werden. Eiskristalle können Zellmembranen zerstören und die Integrität des Körpers beeinträchtigen. Die beste Methode zur Verhinderung von Eiskristallen ist die Verwendung von Kryoprotektoren.
Kryoprotektiva, Kryoschutzmittel oder CPAs sind eine Art medizinisches Frostschutzmittel, das dem Körper durch ein Verfahren namens Perfusion zugeführt wird. Dies ermöglicht die Verglasung des Körpers nach weiterer Kühlung - ein Schlüsselprozess für eine qualitativ hochwertige Kryokonservierung.
Es ist wichtig, das richtige Gleichgewicht der CPAs zu finden, da sie bei bestimmten Konzentrationen unterschiedlich toxisch sind. Die Kryotechniker arbeiten ständig an der Feinabstimmung der Mischung, um eine optimale Kryokonservierung mit möglichst geringer Toxizität zu ermöglichen.
Dieser Artikel soll Ihnen helfen, besser zu verstehen, was Kryoprotektoren sind und wie sie funktionieren.
Warum das Einfrieren vermieden wird in kryonik
Das Gefrieren von Wasser im Körper verursacht zwei Arten von Schäden: mechanische und chemische. kryonik Die Forscher sind keine Fans von beiden. Mechanische Schäden sind Verzerrungen der Zellstruktur und -form, die durch die Bildung von Eiskristallen verursacht werden. Diese Eiskristalle sind extrem scharf und können Zellmembranen und anderes Gewebe in ihrer Umgebung durchschneiden. Dies wollen wir bei der Kryokonservierung um jeden Preis verhindern, da es sonst zum Zelltod beitragen würde.
Chemische Schäden hingegen werden durch den Ausschluss von Molekülen beim Gefrieren von Wasser verursacht. Normalerweise ist das Wasser in einem lebenden Organismus Teil einer Lösung, die aus vielen verschiedenen Molekülarten besteht. Wenn die Wassermoleküle gefrieren, suchen sie sich gegenseitig und bilden eine reine Substanz, die alle anderen Moleküle verdrängt. Dies führt zu einer hohen Konzentration von schädlichen gelösten Stoffen in dem verbleibenden ungefrorenen Wasser.
Um dies zu vermeiden, werden Kryoprotektiva eingesetzt, die wiederum die Verglasung bei der Kryokonservierung ermöglichen. Verglasung ist die Umwandlung einer Substanz in einen glasartigen amorphen Zustand; dies geschieht bei etwa -130 °C, der sogenannten Glasübergangstemperatur. Die Kryoprotektoren halten die Moleküle an Ort und Stelle, bis die Vitrifizierung eintreten kann, was die Überlebensrate der Zellen im Vergleich zum Einfrieren deutlich erhöht.
Was sind Kryoprotektiva?
Kälteschutzmittel verhalten sich ähnlich wie Frostschutzmittel, die Sie in Ihr Auto geben, wenn die Außentemperaturen unter Null fallen. Sie lösen sich in Wasser auf und tragen dazu bei, dessen Gefrierpunkt zu senken. CPAs sind jedoch eine spezielle Variante dieser Chemikalien in medizinischer Qualität.
Weit verbreitete CPAs sind Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglykol und Dimethylsulfoxid (DMSO). Unter diesen CPAs gibt es zwei Hauptklassen von Kryoprotektoren:
- Penetrierende CPAs, die die Bildung von Eis im Zellinneren verhindern, indem sie die Zellwand durchdringen.
- Nicht durchdringende CPAs, die die Bildung von Eis außerhalb von Zellen verhindern.
Penetrierende CPAs werden regelmäßig zusammen mit nichtpenetrierenden CPAs verwendet, da sich extrazelluläres Eis leichter bildet als intrazelluläres. Bei Vorhandensein von nicht durchdringenden CPAs müssen die durchdringenden CPAs nicht so konzentriert sein. Dies ist für eine qualitativ hochwertige Kryokonservierung von entscheidender Bedeutung, denn je höher die Konzentration der durchdringenden CPAs ist, desto toxischer ist die Lösung.
Die Toxizität von Kryoprotektiva
Für eine erfolgreiche Verglasung müssen die Wassermoleküle im Körper durch kryoprotektive Moleküle ersetzt werden. Bei höheren Konzentrationen werden die CPAs jedoch zunehmend toxisch.
Das Ausmaß der CPA-Toxizität ändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen. Um die Toxizität während der Perfusion zu verringern, wird die CPA-Konzentration langsam erhöht, während die Temperatur im Körper gesenkt wird. Dies geschieht, weil CPA, die bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt verabreicht werden, eine viel geringere Toxizität aufweisen als dieselben Chemikalien bei wärmeren Temperaturen.
Kryoprotektiva sind bei kryogenen Temperaturen nicht giftig. Sie werden erst bei der Wiedererwärmung toxisch. Das bedeutet, dass die CPAs bei einer eventuellen Wiederbelebung extrem schnell entfernt werden müssten, um den Zelltod zu vermeiden. Dies stellt ein Problem dar, für das die zukünftige Medizintechnik eine Lösung finden muss. Angesichts des derzeitigen medizinischen Fortschritts sind wir optimistisch, dass künftige Technologien einen Weg finden könnten, diese Herausforderungen zu überwinden und eine Wiederbelebung aus der Biostase zu ermöglichen.
Was kann also getan werden?
Die Wissenschaftler sind sich der Grenzen von Kälteschutzmitteln bewusst und arbeiten aktiv daran, ihrer Toxizität entgegenzuwirken, sie zu minimieren und schließlich zu beseitigen. Derzeit gibt es einige Möglichkeiten, die Toxizität von CPA zu verringern:
Kombination von Kälteschutzmitteln zur Verringerung der Toxizität
Die Forschung hat ergeben, dass die verschiedenen CPAs je nach Situation unterschiedlich giftig sind. Wir wissen, dass es bestimmte Kombinationen von CPAs gibt, die die Gesamttoxizität verringern.
Die Wissenschaftler erforschen derzeit die optimalen Kombinationen von Kryoprotektiva.
Schnelle Abkühlung zur Vermeidung von Toxizität
Die Wissenschaftler versuchen, alternative Kühlmethoden für die Kryokonservierung zu finden. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von kaltem Gas zur Abkühlung von Tierorganen für die Kryokonservierung ohne Verglasung. Die Ergebnisse zeigen, dass kaltes Helium eine Schweineniere auf -180 °C abkühlt, ohne dass es zu Brüchen kommt, und legen nahe, dass bei einem Druck von 20 Atmosphären deutlich schnellere Abkühlungsraten möglich sind.
So schnelle Abkühlungsraten könnten die Expositionszeit der CPAs verkürzen. Dadurch würde sich die Toxizität verringern - vorausgesetzt, Schäden wie ein Kälteschock können vermieden werden.
Umkehrung der CPA-Toxizität
Bestimmte CPAs setzen Chemikalien frei, die zum Zelltod führen können. Durch die Einführung von Hemmstoffen in erwärmte Zellen kann dies vermieden werden. Darüber hinaus kann die Toxizität bestimmter CPAs durch Veränderungen der Genexpression (mit Hilfe der Nanotechnologie) umgekehrt werden.
Es besteht die Hoffnung, dass wir in dem Maße, wie sich unser Verständnis der Toxizität von Kryoprotektoren verbessert, in der Lage sein werden, ihren Auswirkungen wirksamer entgegenzuwirken.
Fazit
Kryoprotektiva sind zwar in bestimmten Konzentrationen giftig, spielen aber eine entscheidende Rolle bei der Kryokonservierung aller biologischen Materialien, von Gewebe, Sperma, Eizellen, Organen und Menschen. kryonik Organisationen wissen das auch. Daher suchen Wissenschaftler, die sich mit Biostaseforschung befassen, ständig nach Möglichkeiten zur Verbesserung der derzeitigen Methoden. Die Entdeckung verbesserter Mischungen von CPAs mit geringerer Toxizität ist eines unserer F&E-Ziele bei Tomorrow Bio. Wir sind die am schnellsten wachsenden kryonik Organisationen in Europa, und die Förderung der Biostaseforschung ist eines unserer Hauptziele.
In dem Maße, wie unser Wissen über das Verhalten von Kryoprotektoren zunimmt, werden wir in der Lage sein, ihre schädlichen Auswirkungen auf den Körper zu verstehen und zu beseitigen. Sobald die Forscher dies begriffen haben, wird eine Wiederbelebung nach der Kryokonservierung sehr viel wahrscheinlicher werden.
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