Unter Tomorrow Bio erforschen wir ständig neue Möglichkeiten zur Verbesserung unserer Kryoprotektions- und Konservierungsverfahren. Die ersten Schritte des Prozesses werden durch SST-Teams verfeinert, die das einzige professionelle Ganzkörper-Feldkryoprotektionsverfahren anbieten, das derzeit verfügbar ist. Modernste Kryoprotektionsmittel werden eingesetzt, um die Zellschädigung während der Kühlung zu minimieren. Darüber hinaus bietet flüssiger Stickstoff eine äußerst stabile Lagerungsumgebung für kryokonservierte Patienten.
Trotz all dieser Bemühungen könnten weitere wissenschaftliche Anstrengungen zahlreiche Möglichkeiten zur Verbesserung der Kryokonservierung aufzeigen. Ein Gesichtspunkt ist die Art und Weise, wie kryokonservierte Patienten derzeit gelagert werden. In diesem Artikel erfahren Sie, warum das so ist und wie ein Lösungsvorschlag aussehen könnte.
Welche Speichermethode wird derzeit verwendet?
Derzeit werden die meisten kryokonservierten Menschen in flüssigem Stickstoff bei einer Temperatur von -196°C gelagert. Diese kostengünstige und nachhaltige Methode verbraucht keinen Strom und ist relativ einfach zu warten, da nur einmal pro Woche neuer Flüssigstickstoff zugeführt werden muss. Wo liegt also das Problem?
Bei der Kryokonservierung werden die Patienten bei einer Temperatur von etwa -130 °C in einen Zustand der Verglasung versetzt. Dies ist ein glasartiger Zustand. Danach werden sie langsam weiter auf -196 °C abgekühlt, die natürliche Temperatur von flüssigem Stickstoff, bei der ihre Körpertemperatur konstant bleibt.
Das Problem liegt nicht in der Langzeitspeicherung, sondern in dem, was davor und danach passiert.
Die Temperatur von -196 °C bietet keine (relevant) bessere Konservierung als die von -130 °C. Flüssiger Stickstoff hat zufällig eine Temperatur, mit der die Kryokonservierung funktionieren kann. Tatsächlich wäre es für unsere Sache praktischer, wenn die Temperatur von flüssigem Stickstoff näher am (aber immer noch unterhalb) des Glasübergangspunkts läge.
Bei der regulären Lagerung minimiert eine gleichmäßige Abkühlung die thermischen Spannungen des Gewebes, wenn die Verglasungstemperatur unterschritten wird. Die Spannungen können noch weiter verringert werden, indem die Temperatur kurz nach der Verglasung für eine gewisse Zeit in der Nähe des Glasübergangspunkts gehalten wird. Dies ermöglicht einen weiteren Spannungsabbau, bevor der Körper weiter abgekühlt wird.
Der Prozess der Abkühlung auf diese deutlich kältere Temperatur führt zu Gewebebrüchen und anderen Schäden, die wir zu verhindern versuchen. Verletzungen dieser Art behindern nicht notwendigerweise die Erhaltung wichtiger neuroanatomischer Informationen, aber sie erschweren die zukünftige Genesung.
Warum schädigt die Kühlung das Gewebe?
Moleküle schwingen, wodurch sich bei einer bestimmten Temperatur ein typisches Volumen oder eine typische Dichte ergibt. Wenn die Temperatur abnimmt, verringert sich auch das Volumen des Objekts, das dieser Temperatur ausgesetzt ist. Dieses Phänomen wird als "thermische Kontraktion" bezeichnet.
Wenn ein Objekt verglast wird, kühlt sein wärmeres Inneres im Vergleich zu seiner äußeren Hülle schneller ab, wodurch seine Größe etwas schneller abnimmt. [1] Da das Innere und das Äußere miteinander verbunden sind, kann dieser Größenunterschied zu Brüchen führen, die das Gewebe beschädigen.
Was ist die Lagerung bei mittlerer Temperatur?
Durch langsames Abkühlen über die Glasübergangstemperatur und Beibehaltung einer Temperatur, die näher am Verglasungspunkt liegt, kann die Frakturierung verringert und möglicherweise (fast) vermieden werden.
Dieses System wird als "Intermediate Temperature Storage" bezeichnet, da die Temperatur zwischen der Verglasung und dem flüssigen Stickstoff liegt.
Die thermische Belastung des Gewebes ist weniger problematisch, wenn die Abkühlung über die Glasübergangstemperatur hinaus früher beendet wird. Nach früheren Daten[2] sind Schäden umso wahrscheinlicher, je schneller das Gewebe abgekühlt wurde.
Vorteile und Herausforderungen der Zwischentemperaturlagerung
Ungeachtet ihrer theoretischen Vorteile werden ITS-Systeme heute außerhalb von Forschungsverfahren nur selten zur Kryokonservierung eingesetzt. Dies liegt vor allem an der Fülle von Herausforderungen und Komplikationen, die diese Methode mit sich bringt.
Erstens birgt der Einsatz von ITS-Systemen im Vergleich zu den derzeit verwendeten Systemen zur Lagerung von Flüssigstickstoff durch Eintauchen einen wesentlich höheren Risikofaktor. Herkömmliche Dewars für die Lagerung bei -196 °C sind fast bis oben hin gefüllt und enthalten über 1000 Liter Flüssigkeit im Inneren. Diese Menge an flüssigem Stickstoff reicht aus, um die Konservierung für mehr als eine Woche aufrechtzuerhalten, bevor ein Nachfüllen erforderlich ist. Normale ITS-Dewars, wie die von Alcor[3] konstruierten, enthalten dagegen nur etwa 120 Liter Flüssigstickstoff am Boden des Behälters, was bei einer Betriebstemperatur von -140 °C für höchstens 5 Tage Lagerung ausreicht.
Außerdem verbrauchen ITS-Dewars doppelt so viel Flüssigstickstoff wie ihre kälteren Gegenstücke, sind aber nur ein Drittel so groß. Genau wie normale Dewars sind sie so ausgestattet, dass sie sich automatisch auffüllen, erfordern aber mehr Ressourcen und Kontrollen, um eine stabile Temperatur zu gewährleisten. Wenn man bedenkt, dass (potenziell schädliche) Temperaturschwankungen wahrscheinlicher sind, erweisen sich ITS-Dewars letztlich als weniger zuverlässige und sichere Option.
Die Beseitigung dieser Nachteile ist möglich, geht aber mit exponentiell höheren Kosten für den Unterhalt der Speicher einher.
Fazit
Theoretisch bietet die ITS-Lagerung eine höhere Qualität der Kryokonservierung. Die aufwendigere Wartung und die höheren Kosten verhindern jedoch, dass die ITS-Lagerung heute die erste Wahl ist. Tomorrow Bio wird seinen Mitgliedern in Zukunft die ITS-Lagerung als Option anbieten, wenn sie diese Art der Konservierung wünschen. Derzeit bleibt die Lagerung in Flüssigstickstoff die sicherere und kostengünstigere Alternative, weshalb sie weiterhin standardmäßig für die Kryokonservierung verwendet wird.
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