Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Erdatmosphäre. Das allein könnte für manche eine ausreichende Antwort darauf sein, warum wir flüssigen Stickstoff für die Kryokonservierung verwenden. Aber natürlich ist es nicht ganz so einfach, Stickstoff aus der Luft zu holen. Ein Kühlmittel, das im Überfluss vorhanden ist, reicht nicht aus, um die Patienten von morgen für unbestimmte Zeit zu lagern. In diesem Artikel werden wir aufzeigen, was Stickstoff in seiner flüssigen Form heute wirklich zur besten Option für die Biostase macht.
Wie funktioniert Kryokonservierung?
Der Kryoprotektionsprozess beginnt mit einer langsamen Absenkung der Kerntemperatur des Körpers auf Werte unter dem Gefrierpunkt. Dadurch wird die so genannte "Glasübergangstemperatur" bei etwa -130 °C unterschritten und eine Verglasung erreicht. Um die Zellstruktur vor Gefahren wie der Bildung von Eiskristallen zu schützen, werden Kryoprotektiva eingesetzt. Durch die Kühlung und den Prozess der Kryokonservierung werden die Stoffwechselraten erheblich reduziert, so dass die biologische Aktivität vollständig zum Erliegen kommt. Nach der Kryokonservierung befindet sich der Körper in einer vollständigen "biologischen Pause", was bedeutet, dass die Patienten in diesem Zustand auf unbestimmte Zeit gelagert werden können, ohne dass es zu einem Abbau kommt.
Unter Tomorrow Bio verwenden wir Temperaturen von -196°C für die Langzeitlagerung kryokonservierter Patienten (mit der in der Entwicklung befindlichen Intermediate Temperature Storage aka ITS), die durch die Verwendung von Flüssigstickstoff erreicht wird.
Was ist Flüssigstickstoff?
Flüssiger Stickstoff ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas mit einem Siedepunkt von -196°C und einem Gefrierpunkt von -210°C. Es wird in großem Umfang in Luftzerlegungsanlagen erzeugt.
Hier wird die Luft in ihre Hauptbestandteile (meist Stickstoff und Sauerstoff) aufgespalten, indem sie komprimiert, gereinigt und schließlich bis nahe an ihre Verflüssigungstemperatur abgekühlt wird.
Mit Hilfe von unter Druck stehenden, superisolierten Vakuumbehältern können diese gespaltenen Komponenten (viele Wochen lang) gelagert und an jeden Ort transportiert werden, an dem sie eine gute Verwendung finden könnten. Flüssiger Stickstoff wird unter anderem in Kryokonservierungslagern in kryogenen Lagerbehältern verwendet.
Warum wird Flüssigstickstoff für die Kryokonservierung verwendet?
Flüssiger Stickstoff wird in der Regel verwendet, um Substanzen auf extrem niedrige Temperaturen zu kühlen. Glücklicherweise besitzt er auch eine natürliche Temperatur unterhalb des Glasübergangspunkts, mit der Kryokonservierungsverfahren arbeiten können.
Außerdem ist es relativ billig, insbesondere im Vergleich zu ähnlichen Gasen (z. B. flüssiges Neon). Da Flüssigstickstoff aus der Umgebungsluft gewonnen werden kann, ist er auch ein umweltfreundliches Gas - ein wichtiger Faktor im Hinblick auf die lange Lagerzeit, die er ermöglichen soll. Die Substanz ist auch außerordentlich leicht zu erhalten. Mit einer einzigen Charge lassen sich kryogen gelagerte Patienten mehr als eine Woche lang unter optimalen Bedingungen aufbewahren. Oben in den Dewars verdampft der flüssige Stickstoff ständig zu Gas. Um dem entgegenzuwirken, wird das Lager wöchentlich mit Flüssigstickstoff versorgt, so dass nach einer Woche einfach neuer Flüssigstickstoff hinzugefügt wird, um die Temperatur stabil zu halten.
Im schlimmsten Fall, wenn ein Nachfüllen aus irgendeinem Grund nicht möglich ist, kann das Gehirn eines Patienten bis zu einem Monat lang ohne Probleme geschützt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass unsere Patienten in den Dewars auf dem Kopf stehend gelagert werden, so dass das Gehirn optimal geschützt ist. Im sehr unwahrscheinlichen Fall eines versehentlichen Auftauens wäre das Gehirn das Allerletzte, was davon betroffen wäre.
Dank fortschrittlicher Lagertechnik sind wir in der Lage, zusätzliche Bestände als Reserve zu halten, so dass wir auch auf unvorhergesehene Probleme in der Lieferkette vorbereitet sind.
Wie wird Flüssigstickstoff verwendet?
Ganzkörper-Kryolagerungsdewars werden bis zum oberen Rand mit flüssigem Stickstoff gefüllt, bis er den Körper des Patienten vollständig überflutet. Die Wiederbefüllung erfolgt wie bereits erwähnt.
Bei den weniger verbreiteten ITS-Dewars wird nur der Boden mit dem Stoff gefüllt. Auf diese Weise kann der Körper bei einer höheren Temperatur gelagert werden, was die Gefahr von thermischen Schäden verringert. Ein Nachteil des ITS ist jedoch, dass er häufiger nachgefüllt werden muss, etwa alle paar Tage.
Das Auffüllen kann automatisch erfolgen, wird aber in der Regel von Hand gemacht, um nicht von Strom abhängig zu sein. Dies senkt die Gesamtkosten der Lagerung im Laufe der Zeit drastisch und macht den Unterhalt zudem nachhaltiger.
Alternative Optionen (und warum sie nicht genutzt werden)
Trotz all der Lobeshymnen, die wir bisher über Flüssigstickstoff gehört haben, ist er nicht perfekt. Zum einen liegen seine Temperatur und die Glasübergangstemperatur mehr als 60°C auseinander, nämlich bei -196°C bzw. -130°C. Die natürliche Temperatur von Flüssigstickstoff eignet sich für kryonische Verfahren und ist am einfachsten aufrechtzuerhalten, was ein wichtiger Aspekt ist, warum wir ihn verwenden. Idealerweise sollten wir jedoch so nahe wie möglich am Glasübergangspunkt bleiben, um thermischen Stress durch weitere Abkühlung zu vermeiden. ITS-Speichersysteme versuchen, dieses Problem zu lösen, sind aber mit zusätzlichen Herausforderungen und Kosten verbunden.
Es gibt weitere Stoffe, die anstelle von flüssigem Stickstoff verwendet werden könnten, aber aus dem einen oder anderen Grund werden sie nicht verwendet. Werfen wir einen Blick auf einige von ihnen:
Flüssigwasserstoff (LH2)
- Anständiger Preis
- Teure Ausrüstung für die Handhabung erforderlich
- Sehr niedriger Siedepunkt von -252°C (denken Sie daran, dass wir nicht zu weit unter 130°C gehen wollen)
- Verdunstet zu schnell
- Leicht entflammbar
Flüssiges Neon(LNe)
- Völlig inert (unempfindlich gegenüber anderen Chemikalien)
- Zu kalt (-246°C)
- Äußerst teuer! (120 €+ pro Liter, wenn nicht mehr)
Flüssigsauerstoff (LO2,LOX)
- Günstige
- Gutes Oxidationsmittel (kann die meisten organischen Stoffe und auch Metalle verbrennen, Sie und die gesamte Anlage)
Flüssiges Helium (LHe)
- Kann bei sehr niedrigem Druck gefrieren
- Die inerteste bekannte Substanz
- Noch niedrigere Temperatur (-269°C)
- Spezielle Dewars erforderlich
- verdunstet extrem leicht
- Voraussichtlich in ein paar Jahrzehnten erschöpft
Unter dem Strich sind alle diese Optionen entweder zu teuer, zu kalt oder zu unsicher, um sinnvoll zu sein. Im Vergleich dazu ist Flüssigstickstoff einfach besser als alle anderen.
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Fazit
Flüssiger Stickstoff bleibt vorerst die beste Option. Solange keine neue Substanz entdeckt wird, die sich außergewöhnlich gut für Kryokonservierungsverfahren eignet, ist es wahrscheinlicher, dass neue Techniken und Technologien, die Flüssigstickstoff verwenden, stattdessen die Qualität der Lagerung verbessern werden (wie der ITS).
Es ist die billigste und einfachste nachhaltige Methode zur Aufrechterhaltung der Biostase für Menschen, die wir kennen. Es gibt noch andere Möglichkeiten, die aber im Vergleich zu flüssigem Stickstoff wenig sinnvoll sind. Mit Blick auf die Zukunft wird dieses natürliche Kühlmittel höchstwahrscheinlich noch lange Zeit für die Kryokonservierung verwendet werden.
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