Transplantationen sind ein Wunder der modernen Medizin, aber der Mangel an verfügbaren Organen stellt eine erhebliche medizinische Belastung für die Gesellschaft dar. Die Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage ist teilweise auf einen Mangel an geeigneten Spenderorganen zurückzuführen, aber auch auf fehlende Konservierungsmöglichkeiten. Die Konservierung bei kryogenen Temperaturen hat das Potenzial, dieses Problem zu lösen, da sie sich als Mittel zur Konservierung von lebenden Zellen und Geweben etabliert hat. kryonikDer Begriff "Kryokonservierung" bezieht sich hingegen auf die Kryokonservierung von Menschen (Ganzkörper- oder Neurokonservierung) und auch von Tieren. kryonik kann wertvolle Erkenntnisse über die Konservierung von biologischem Material wie Gewebe und Zellen liefern, die zu Fortschritten bei der Organerhaltung beitragen. Die Anwendung von Kryokonservierungsverfahren bei Organtransplantationen und die Einführung von Kryobanken könnte für Patienten und medizinisches Personal weltweit revolutionär sein.
Die Uhr anhalten
Die Herausforderung bei Organtransplantationen ist heute - wie bei den meisten kryotechnischen Verfahren - die Zeit. Sobald ein Chirurg eine Niere aus einem Körper entfernt hat, kann sie etwa 36 Stunden lang lebensfähig bleiben; bei Lebern sind es bis zu 16 Stunden, und Herzen überleben nur drei bis fünf Stunden. Ohne Zeitdruck haben die medizinischen Teams höchstens Stunden Zeit, um ein Organ einem Empfänger zuzuordnen, der möglicherweise weit vom Spenderort entfernt ist. Diese typischen Szenarien begrenzen natürlich die Zahl der erfolgreichen Transplantationen.
Im Jahr 2022 stehen in Amerika über 100.000 Menschen auf der Warteliste für eine Organtransplantation, wobei die durchschnittliche Wartezeit zwischen vier Monaten und fünf Jahren beträgt. Nach Angaben der spanischen Transplantationsorganisation standen Ende 2020 in Europa etwa 49 000 Patienten auf der Warteliste für eine Transplantation, und nur 28 000 Transplantationen fanden statt. Jeden Tag sterben in Europa etwa 21 Menschen, die auf eine Transplantation warten. Der ungedeckte Bedarf an Organkonservierung setzt der Transplantation und mehreren anderen biomedizinischen Bereichen erhebliche logistische Grenzen. Die begrenzte Haltbarkeit von biologischen Geweben und Zellen behindert nicht nur die Organtransplantation, sondern auch die Gewebezüchtung, die Arzneimittelforschung und vieles mehr.
Die Technologie von heute
Statische Kältespeicherung
Seit den 1960er Jahren hat sich die statische Kältelagerung (Static Cold Storage, SCS) allmählich zur Goldstandardmethode für die Organerhaltung entwickelt. Bei der statischen Kältelagerung wird das Organ mit einer Konservierungslösung bei 0-4 °C gespült und dann bis zur Transplantation in eine Lösung mit der gleichen Temperatur getaucht. Diese hypothermische Umgebung verringert den Zellstoffwechsel, und die Konservierungslösung sorgt für den Kälteschutz. Die SCS ist eine einfache und wirksame Methode zur Konservierung und zum Transport von Organen, die jedoch mit einer Reihe von Einschränkungen verbunden ist. Dazu gehören Gewebeschäden, Schwierigkeiten bei der Beurteilung der Funktion und Lebensfähigkeit von Spenderorganen, Ischämie-Reperfusionsschäden (IRI) und begrenzte Möglichkeiten der Organreparatur. Obwohl der SCS der Standard für die Organkonservierung ist, können Organe und Gewebe nur für einige Stunden konserviert werden, was ihn zu einer extrem kurzfristigen Lösung macht.
Maschinelle Perfusion
Die maschinelle Perfusion bietet eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung und Verlängerung der Organ- und Gewebekonservierung außerhalb des Körpers - oder "ex vivo". Hypo- und normotherme Perfusion sind für Herz, Lunge, Leber und Nieren möglich. Bei der hypothermen Methode liegt der Schwerpunkt auf der Verlangsamung des Stoffwechsels. Bei der normothermen Perfusion wird versucht, eine "ex vivo"-Umgebung zu schaffen, indem physiologische "in vivo"-Bedingungen (innerhalb des Körpers) nachgeahmt werden. Die Systeme sind mit Sauerstoff angereichert und verwenden entweder Konservierungslösungen oder verdünntes Blut als Perfusat. Die ersten klinischen Versuche mit maschineller Perfusion wurden in den 1960er Jahren unternommen, erwiesen sich jedoch nicht als besser als SCS. Im Laufe der Jahre und aufgrund des Organmangels wurde diese Strategie jedoch wieder eingeführt.
Verglasung
Die Vitrifikation ist ein Verfahren, bei dem Organe und Gewebe auf kryogene Temperaturen abgekühlt werden, ohne dass sich Eiskristalle bilden. Die fehlende Eisbildung ist auf die Zugabe verschiedener Kryoprotektoren bei einer schnellen und sehr kontrollierten Abkühlungsrate zurückzuführen. Die Organe und Gewebe gehen bei etwa -125 °C in einen amorphen, glasähnlichen Zustand über, der eine praktisch unbegrenzte Konservierung ermöglicht, was für Organbanken eine Notwendigkeit ist. Die erfolgreiche Kryokonservierung durch Vitrifikation wurde bisher vor allem bei Eizellen und Spermien erreicht, die schnell gekühlt und wieder aufgewärmt werden können. Die einzige erfolgreiche Vitrifikation und anschließende Transplantation eines Organs war eine Kaninchenniere. Zu den Herausforderungen bei der Vitrifikation gehören heute die potenzielle Toxizität der Kryoprotektoren und Hindernisse beim Aufwärmprozess. Derzeit werden neue Strategien entwickelt, um dieses Verfahren zu optimieren.
Techniken für eine erfolgreiche Konservierung bei kryogenen Temperaturen wurden in den letzten fünf Jahrzehnten für verschiedene Gewebetypen entwickelt, wobei in letzter Zeit einige dramatische Fortschritte erzielt wurden. Derzeit beziehen sich erfolgreiche Anwendungen jedoch im Allgemeinen auf kleine Proben, von Stammzellen bis zu Geweben wie Hornhaut. Beim Menschen konnten Forscher größere Proben für Gewebe wie Herzklappen kryokonservieren, bei denen die mechanische Funktion eine höhere Priorität hat als die biologische Funktion.
Um die Wissenschaft und Technologie der Kryokonservierung voranzubringen, nutzen die Forscher ingenieurwissenschaftliche Konzepte, darunter Wärme- und Stoffübertragung, Festkörpermechanik, Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Computermodellierung, Informationstechnologie und Mikroelektronik. Der ingenieurwissenschaftliche Ansatz kann Vorhersageinstrumente integrieren, die auf physikalischen Messungen, mathematischer Modellierung und Rechenleistung beruhen, was für die aktuelle und zukünftige Forschung von großem Nutzen sein könnte.
Die medizinische Notwendigkeit der Kryokonservierung
Vitrifikation und Organbanken
Man schätzt, dass weltweit etwa zwei Drittel der potenziellen Spenderherzen verworfen werden. Darüber hinaus werden in den USA bis zu 20 % der potenziellen Spendernieren verschwendet, weil es nicht gelingt, geeignete Empfänger zu finden. Im Vereinigten Königreich werden 10-12 % der Nieren und etwa 50 % der Bauchspeicheldrüsen verworfen. Diese Verschwendung könnte vermieden werden, indem die Konservierungsmethoden verbessert werden, insbesondere die Kryokonservierung, die derzeit die einzige Lösung für die langfristige Konservierung ist, um weltweit Organbanken zu eröffnen.
Fortschritte im Bereich der Organbanken könnten nicht nur dazu beitragen, den Organmangel zu beheben, sondern auch die Möglichkeiten des Abgleichs zwischen Spender und Empfänger erheblich erweitern, das Screening auf übertragbare Krankheiten verbessern, die Kosten senken, eine flexiblere Planung von Operationen ermöglichen und die Organqualität vor der Transplantation bewerten.
Im Jahr 2017 organisierte die Harvard Medical School den "Organ Banking Summit", um die aktuellen Herausforderungen des Kryobankings zu diskutieren. Führende Wissenschaftler und Ingenieure auf diesem Gebiet kamen zusammen, um einen Fahrplan für die Überwindung wissenschaftlicher Hürden bei der Kryokonservierung zu erstellen, darunter:
- Kontrolle übermäßiger Eisbildung
- Die Toxizität von Kryoprotektoren auf einem akzeptablen Niveau halten
- Begrenzung unverhältnismäßiger mechanischer und/oder thermodynamischer Belastungen
- Bekämpfung übermäßiger Schäden durch Abkühlung
- Vermeiden Sie unannehmbare ischämische Verletzungen
- Sicherstellung akzeptabler Reparatur- und Wiederbelebungsprotokolle
Wie auf dem Symposium festgestellt wurde, gibt es bisher keine wirksamen Methoden, um solide Organe über 12 Stunden hinaus zuverlässig zu konservieren, aber schon wenige Stunden zusätzliche Konservierungszeit würden die Zahl der möglichen Transplantationen weltweit erheblich erhöhen.
Fazit
Jedes Jahr werden 4.000 gesunde Organe entsorgt, weil nicht rechtzeitig ein passender Spender gefunden werden kann, während über 6.000 Menschen auf der Warteliste sterben. Die Verlängerung der Lebensfähigkeit von Organen würde den Transport in größere geografische Gebiete ermöglichen, so dass Operationen auf der ganzen Welt durchgeführt werden könnten. Nach Ansicht der Wissenschaftler kann die Kluft zwischen der derzeitigen und der künftigen Technologie, die für die Kryokonservierung benötigt wird, nur durch die Zusammenarbeit von Kryobiologen und Ingenieuren überbrückt werden. Gegenwärtig steckt die Forschung meist noch in den Kinderschuhen, und Anwendungen und Methoden wurden bisher nur an Tieren oder menschlichen Zellen getestet. Durch weitere Forschung könnten zahlreiche Bereiche der öffentlichen Gesundheit revolutioniert werden. Fortschritte in den Bereichen Organbanken, Onkofertilität, Tissue Engineering, Traumamedizin, Notfallvorsorge und Arzneimittelforschung könnten durch bessere Kryokonservierungstechniken möglich werden.
Die Kryoexperten von Tomorrow Bio sind ständig bemüht, die Biostaseforschung voranzutreiben. Die Erfolge auf dem Gebiet der Kryokonservierung von Menschen gehen Hand in Hand mit der Kryoforschung von Organen und beeinflussen die Erkenntnisse, Entwicklungen und Errungenschaften. Tomorrow BioDer Partner EBF verfügt über ein Biostaselabor, in dem Forscher an der Verbesserung von Biokonservierungstechniken arbeiten. Derzeit befindet sich in der EBF ein Langzeitlager für die kryokonservierten Patienten von Tomorrow Bio. Darüber hinaus werden an der EBF spannende Forschungsarbeiten durchgeführt, die von der Optimierung von Kryokonservierungsprotokollen bis hin zur Lagerung bei mittleren Temperaturen reichen, was sich für Organtransplantationen als sehr nützlich erweisen könnte.
Wenn Sie mehr über die Kryokonservierung von Menschen erfahren möchten, klicken Sie hier, oder wenn Sie die Forschung bei Tomorrow Bio und EBF unterstützen möchten, werfen Sie einen Blick auf unser Tomorrow Fellow Programm. Wenn Sie sich als fellow anmelden, können Sie die Forschung unterstützen, exklusive Vergünstigungen erhalten und für die zukünftige Kryokonservierung sparen.
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