Die Kryokonservierung ist noch kein gängiges Verfahren. Ähnliche Verfahren, bei denen kalte Temperaturen zum Einsatz kommen, werden jedoch in der modernen Medizin immer häufiger verwendet. Die Organtransplantation ist ein Bereich, in dem die Vorteile der Kältespeicherung erfolgreich genutzt werden. Diese Errungenschaften sind jedoch mit Einschränkungen verbunden, die die Wissenschaft erst noch überwinden muss. Ähnlich wie im Fall von kryonik scheint die Perfektionierung der Konservierungsmethoden die Lösung für die meisten der derzeitigen Probleme zu sein.
In diesem Artikel beleuchten wir die derzeitige Verwendung von kalten Temperaturen in der Medizin zum Zweck der Konservierung.
Die Probleme der Organtransplantation
Bei der Organtransplantation sehen sich die Wissenschaftler mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert. Die meisten hängen mit dem Transport und der Lagerung zusammen und könnten durch die Erfindung besserer Konservierungssysteme in der Zukunft drastisch gemildert werden. Es hat sich herausgestellt, dass Ihr Körper perfekt ist, so wie er ist, und dass Ihre Organe nicht gerne in eine andere Umgebung gebracht werden.
Werfen wir einen Blick auf die Hauptprobleme der heutigen Organtransplantation.
Mangel an Organen
Organe wachsen nicht auf Bäumen(aber vielleicht wachsen sie bald in Labors). Bislang sind sie nur bei anderen Lebewesen zu finden. Da die meisten unserer Organe überlebenswichtig sind, bedeutet dies, dass man im Falle seines Todes nur eine vollständige Leber spenden kann (obwohl Teilspenden für gesunde Menschen möglich sind).
Viele Länder in der Welt haben versucht, diesen Mangel zu bekämpfen, indem sie ihre Vorschriften zur Organspende auf ein "Opt-out"-System (z. B. Frankreich, Spanien, Italien) statt auf ein "Opt-in"-System (z. B. Deutschland, Großbritannien) umgestellt haben. Wenn Sie also in einem dieser Länder, z. B. in Frankreich, sterben, schreibt das Gesetz vor, dass Ihre Organe an Krankenhäuser gespendet werden können, es sei denn, Sie machen ausdrücklich klar, dass Sie dies nicht wünschen.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass 90 % des weltweiten Bedarfs an Organtransplantationen derzeit nicht gedeckt werden können. Zählt man alle Todesfälle aufgrund von Organerkrankungen im Endstadium zusammen, ist diese Zahl sogar noch höher. Vor allem in Afrika, wo 16 % der Weltbevölkerung leben, werden nur 0,5 % der Organtransplantationen durchgeführt, weil der Zugang zu Spenderorganen schwierig ist.
Methode zur kurzfristigen Lagerung
Lebenswichtige Spenderorgane werden von kürzlich verstorbenen Menschen entnommen, da sie bei der Transplantation noch funktionsfähig sein müssen. Ein langfristiges Überleben des Organs ist nur innerhalb eines funktionierenden (und kompatiblen) Gefäßsystems gewährleistet, so dass die Organe nach der Entnahme aus dem Körper nur kurzlebig sind. Diese zeitliche Begrenzung erfordert eine angepasste Lagerungsmethode, die den Erhalt der Organfunktionalität unterstützt. Die derzeitige Standardpraxis ist die sogenannte statische Kühllagerung (SCS).
Die Organe werden in einer Konservierungslösung aufbewahrt und auf eine statische Temperatur von 4 °C abgekühlt, wodurch sie in einen Zustand der Kälteischämie versetzt werden. Diese Methode ermöglicht es uns zwar, Funktionsstörungen über einen wesentlich längeren Zeitraum als üblich zu verhindern, doch ist der Zeitrahmen für eine Transplantation immer noch recht begrenzt. Die maximale Lagerzeit für Lebern beträgt durchschnittlich 12-16 Stunden, für Nieren 24-36 Stunden und für Herzen nur 4-6 Stunden. Geringere Lagerungszeiten verringern das Risiko künftiger Komplikationen im Körper des neuen Wirts.
Da die Organe nicht länger gelagert werden können, wird die Versorgung stark eingeschränkt. Niedrigere, konstante Temperaturen würden zwar theoretisch eine bessere Konservierung ermöglichen, aber sie würden zusätzliche ischämische Schäden und die Bildung von Eiskristallen verursachen - etwas, das Ärzte um jeden Preis verhindern wollen.
Wie Tiefsttemperaturen zur erfolgreichen Konservierung beitragen
Von der Natur lernen
Heute wissen wir, dass Minustemperaturen nicht unbedingt mit ischämischen Verletzungen einhergehen müssen. Um das zu beweisen, müssen wir nur einen Blick auf die Natur werfen. Arten, die von Natur aus niedrige Außentemperaturen tolerieren, haben zwei unterschiedliche Herangehensweisen an das Leben unter dem Gefrierpunkt gezeigt: Frosttoleranz und Frostvermeidung.
Frosttoleranz findet sich bei einigen Fröschen wie dem Waldfrosch und bei Schildkröten wie der gemeinen Sumpfschildkröte. Zu den biochemischen Mechanismen dieser Lebewesen gehören die Regulierung der extrazellulären Eisbildung sowie die Verringerung des Zellvolumens. Dadurch können sie in gefrorenem Zustand mehrere Tage oder sogar Wochen lang überleben, indem sie in die Biostase übergehen.
Die Gefriervermeidung hingegen verhindert das Einfrieren vollständig. Viele Insekten sind zu diesem Kunststück in der Lage, indem sie die Gefrierpunktserniedrigung und die Unterkühlung ausnutzen. Wasser gefriert in der Regel bei 0 °C, da sich die Wassermoleküle durch die Anwesenheit äußerer Oberflächenpartikel zu Kristallen umorientieren. Sobald sich der ursprüngliche Kern gebildet hat, kommt es zu einer Reaktion, die die einzelnen Wassermoleküle zu einer festen Form zusammenfügt, die wir als "Eis" kennen. Gefriervermeidende Tiere verhindern diese Reaktion, indem sie ihren Körperflüssigkeiten spezielle Moleküle hinzufügen, die den Gefrierpunkt herabsetzen. Diese Moleküle ermöglichen die Unterkühlung, d. h. das Absenken von Flüssigkeiten unter ihren Gefrierpunkt, ohne dass sie fest werden, und helfen ihnen, bei ansonsten tödlichen Temperaturen zu überleben. Wenn es gelingt, die Unterkühlung für Lebertransplantationen nutzbar zu machen, könnte sich die Lagerungszeit erheblich verlängern, ohne das Organ zu beschädigen.
Die Vermeidung des Einfrierens wird auch in kryonik durch den Einsatz von Kälteschutzmitteln (CPAs) eingesetzt. Dies hat nichts mit "Unterkühlung" zu tun. Diese Mittel werden zur Verglasung eingesetzt, einem glasartigen Zustand der Konservierung, der bei etwa -130 °C eintritt (mehr dazu später).
Kontrollierte Umgebungen
Die Forschung legt das nahe: "In der Natur birgt die Gefriervermeidung gewisse Risiken, da die Temperatur nicht unter den Gefrierpunkt fallen kann. In Umgebungen mit kontrollierter Temperatur, wie z. B. bei der Organkonservierung, kann sie jedoch sehr nützlich sein.[1]
Durch die Eliminierung unerwünschter äußerer Faktoren können Wissenschaftler die Unterkühlung und andere Konservierungstechniken unter dem Gefrierpunkt mit größerer Präzision anwenden. In der Folge steigt die Qualität solcher Konservierungen.
Die Unterkühlung hat sich als die erfolgreichste Kühltechnik für menschliche Lebern erwiesen. In kontrollierten Umgebungen waren Lebensfähigkeit und Funktionalität vor und nach dem Verfahren praktisch unverändert, und die Lebern waren in der Lage, den thermischen Belastungen einer simulierten Transplantation standzuhalten.[2]
Von der Unterkühlung zur Verglasung
Die Forscher sind sich einig, dass schon eine geringe Temperatursenkung zu einer deutlich verbesserten Leberkonservierung führen kann. [3] Die Nutzung der Unterkühlung ist derzeit für Temperaturen knapp unter 0 °C möglich. Außerdem ist die Skalierung der Unterkühlung auf menschliche Organe begrenzt. Der Grund dafür ist die volumenabhängige stochastische Eisbildung und die höhere Wahrscheinlichkeit der Eisbildung in größeren Organismen. Die Unterkühlung funktioniert bei Insekten aufgrund ihrer geringen Größe außerordentlich gut. Die Schwierigkeit, diesen Prozess auf die Größe menschlicher Organe wie der Leber hochzuskalieren, hindert die Wissenschaftler daran, niedrigere Temperaturen zu erreichen, ohne den Gefrierpunkt zu unterschreiten.
Die bei der Kryokonservierung angewandte Vitrifikation ist die vielversprechendste Form der Konservierung, da sie eine vollständige Unterbrechung der biologischen Aktivität und ein geringes Risiko von Gefrierschäden mit sich bringt. Dennoch wird die Vitrifikation heute bei Organtransplantationen nicht eingesetzt, da eine effiziente, nicht schädigende Wiedererwärmung (Entglasung) noch nicht erfunden wurde.
Dennoch wird weiter nach der idealen Konservierungsmethode geforscht, und die kürzlich veröffentlichten Experimente[4] zeigen Fortschritte auf diesem Gebiet. In einem Bericht über die Nierenkonservierung durch Vitrifikation heißt es: "[...] die Gruppe war in der Lage, die Niere zu entglasen, die Nierenfunktion wiederherzustellen und das Leben als einzige Niere nach einer Autotransplantation zu erhalten. Dieser Einzelfall bleibt der einzige Bericht über die erfolgreiche Vitrifikation großer fester Organe, (aber) er ist vielversprechend für die Zukunft der Vitrifikation, wenn die Vitrifikationslösung und die Kühl- und Erwärmungssysteme optimiert werden."
Fazit
Kryokonservierung und Vitrifikation sind eine Wissenschaft mit großem Potenzial für Organtransplantationen und die Verlängerung des Lebens durch Kryokonservierung. Obwohl weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, bevor die Unterkühlung und schließlich die Vitrifizierung die derzeitigen Standardlagerungsmethoden für Lebern und andere Organe ersetzen können, sind erste erfolgreiche Versuche vielversprechend.
Wir von Tomorrow Bio arbeiten daran, unser Wissen über die Vermeidung des Einfrierens durch Kryoprotektiva sowie über die Vitrifikation durch eigene Forschung zu erweitern. Die Wiederbelebung von Organen nach der Vitrifikation ist ein Schlüsselaspekt, den kryonik unbedingt lösen möchte. Das ist ein wichtiger Schritt, um die Vision der Wiederbelebung in der Zukunft durch Kryokonservierung Wirklichkeit werden zu lassen.
Sie möchten mehr über die Kryokonservierung erfahren? Vereinbaren Sie jederzeit einen Termin mit uns! Wir freuen uns auf ein Gespräch mit Ihnen!
Links und Referenzen:
[1,3,4] Bruinsma BG, Uygun K. Subzero organ preservation: the dawn of a new ice age? Curr Opin Organ Transplant. 2017 Jun;22(3):281-286. doi: 10.1097/MOT.0000000000000403. PMID: 28266941; PMCID: PMC5520671.
[2] de Vries RJ, Tessier SN, Banik PD, Nagpal S, Cronin SEJ, Ozer S, Hafiz EOA, van Gulik TM, Yarmush ML, Markmann JF, Toner M, Yeh H, Uygun K. Supercooling extends preservation time of human livers. Nat Biotechnol. 2019 Oct;37(10):1131-1136. doi: 10.1038/s41587-019-0223-y. Epub 2019 Sep 9. PMID: 31501557; PMCID: PMC6776681.
Giwa, S., Lewis, J., Alvarez, L. et al. The promise of organ and tissue preservation to transform medicine. Nat Biotechnol 35, 530-542 (2017). https://doi.org/10.1038/nbt.3889
