Medicinsko sredstvo proti zmrzovanju, krioprotektant

Če želimo telo vitrificirati, torej ga spraviti v stabilno, steklu podobno stanje brez nastanka ledu, so krioprotektanti ključni del postopka. Po učinku so podobni medicinskemu sredstvu proti zmrzovanju. Toda tudi pri njih je bistven kompromis, na katerem temelji celoten postopek: snov, ki tkivo varuje pred ledom, je lahko pri previsoki koncentraciji zanj strupena. Za razumevanje krioprotektantov je treba razumeti, kako postopek uravnava to razmerje med zaščito in strupenostjo.

Zakaj je nastanek ledu treba preprečiti

Najprej si poglejmo, kako led poškoduje tkivo. Ko voda v telesu zmrzne, povzroči dve vrsti poškodb hkrati. Prva je mehanska: rastoči ledeni kristali potiskajo celice v vse ožje prostore z nezmrznjeno tekočino ter poškodujejo njihove drobne strukture. Druga je kemijska: med zmrzovanjem vode se raztopljene soli in druge snovi koncentrirajo v preostali tekočini, dokler njena sestava ne postane škodljiva za celice. Vsaka od teh oblik poškodb je lahko resna, skupaj pa pri običajnem zmrzovanju močno poškodujeta strukture, pomembne za ohranitev človekove identitete.

Krioprotektanti obstajajo zato, da led sploh ne nastane. Pri vitrifikaciji tkivo ne zmrzne, temveč preide v steklasto stanje, stopnja ohranjenosti pa je odvisna tudi od kakovosti perfuzije.

Kaj krioprotektanti pravzaprav so

Krioprotektivno sredstvo deluje podobno kot sredstvo proti zmrzovanju v hladilnem sistemu avtomobila: raztopi se v vodi in zniža temperaturo kristalizacije. Snovi, ki se uporabljajo v krioniki, med njimi glicerol, etilen glikol, propilen glikol in dimetil sulfoksid (DMSO), so izbrane in kombinirane zaradi tega učinka. Ločimo dve skupini krioprotektivnih sredstev, ki se uporabljata skupaj:

• Penetrirajoča sredstva prehajajo skozi celično membrano in preprečujejo nastanek ledu znotraj celice.
• Nepenetrirajoča sredstva ostanejo zunaj celice in preprečujejo nastanek ledu v prostoru med celicami, kjer se ta praviloma pojavi najprej. Penetrirajoča sredstva prehajajo skozi celično membrano in v njej nadomestijo velik del vode, s čimer preprečujejo nastanek ledu znotraj same celice.

Uporabljajo se skupaj, saj je njuno dopolnjevanje bistveno za celoten postopek. Ker nepenetrirajoča sredstva varujejo prostor zunaj celic, kjer led najlaže nastaja, ni treba koncentracije penetrirajočih sredstev v celicah povečati tako močno. Koncentracija je namreč osrednji dejavnik pri uravnavanju strupenosti.

Ravnotežje med zaščito in strupenostjo

Osrednji problem kriozaščite je razmerje med učinkovitostjo in strupenostjo krioprotektantov. Za zanesljivo vitrifikacijo je treba velik delež vode v telesu nadomestiti s krioprotektantom. A višja je koncentracija, bolj strupeno je sredstvo za tkivo. Premalo sredstva pomeni led, preveč pa kemijsko poškodbo. Cilj je najti ustrezno ravnovesje med tema dvema skrajnostma.

To ravnovesje je mogoče doseči zaradi dveh ključnih lastnosti postopka. Prvič, strupenost je močno odvisna od temperature: sredstvo, ki bi pri višji temperaturi poškodovalo tkivo, je pri nizki temperaturi bistveno manj škodljivo. Zato krioprotektante vnašajo postopno, koncentracijo pa povečujejo med hkratnim ohlajanjem telesa, da strupenost v posameznih korakih ostane čim manjša. Drugič, ustrezne kombinacije sredstev lahko zmanjšajo skupno strupenost zmesi pod raven, ki bi jo povzročilo posamezno sredstvo pri enakovredni koncentraciji. Iskanje ustreznega razmerja ostaja aktivno raziskovalno področje, izboljšanje zmesi pa lahko prispeva k boljši kakovosti oživitve.

Raztopine same se nenehno izboljšujejo

Današnje krioprotektivne raztopine niso ena sama snov, temveč skrbno usklajene mešanice, razvite skozi desetletja raziskav. Kriobiolog Greg Fahy je vitrifikacijske raztopine razvijal v več zaporednih različicah, pri katerih so raziskovalci odpravljali omejitve prejšnjih formulacij. Zgodnje mešanice z eno samo snovjo so nadomestile kombinacije DMSO z amidi in propilen glikolom. Etilen glikol je nato zamenjal bolj strupene sestavine. Nato so dodali molekule, ki zavirajo nastajanje ledu in omogočajo uporabo nižjih koncentracij. V zadnjih formulacijah so prilagodili delež nepenetrirajočih sestavin, da bi zmanjšali poškodbe, povezane z ohlajanjem. Raztopine, ki se danes uporabljajo pri ljudeh, so rezultat tega razvojnega procesa. Tomorrow.bio in Cryonics Institute uporabljata optimizirano različico raztopine VM1, ki vsebuje približno enaka deleža dimetil sulfoksida in etilen glikola. Drugi ponudniki uporabljajo svoje lastniške formulacije. Pristopa se razlikujeta predvsem po ceni in obsegu objavljene dokumentacije: VM1 je na primer bistveno cenejši na posamezen primer. Raziskovalci uporabljajo tudi napovedno merilo strupenosti qv*, ki pomaga pri oblikovanju zmesi za zanesljivo vitrifikacijo ob čim manjši škodi. Krioprotektant ni dokončno določena rešitev, temveč predmet stalnega razvoja, pri katerem lahko vsaka izboljšava poveča kakovost ohranitve, kar je tema, povezana z napredkom stroke.

Odprto vprašanje ponovnega ogrevanja

Obstaja še ena poštena zagata. Pri kriogenih temperaturah so kemične reakcije izjemno upočasnjene, zato se toksični učinki krioprotektantov praktično ne razvijajo. Strupenost postane problem šele pri ponovnem ogrevanju. Med ponovnim ogrevanjem bi bilo treba krioprotektante hitro in temeljito odstraniti, da ne bi poškodovali tkiva. Kako to izvesti varno in učinkovito, ostaja vprašanje za prihodnjo medicino, saj oživitev danes še ni mogoča. To je treba povedati jasno: oživitev trenutno ni mogoča, zato bi bilo drugačno zatrjevanje nepošteno. Predpostavka je, da bo civilizacija, ki bo sposobna odpraviti prvotni vzrok smrti, znala izvesti tudi nadzorovano ponovno ogrevanje ter uporabiti ohranjeno biološko strukturo.

Uravnavanje razmerja med večjo zaščito pred zmrzovanjem in manjšo strupenostjo je osrednji del raziskav pri Tomorrow.bio in drugod. Vsaka izboljšava zmesi lahko pripomore k boljšemu ohranjanju človekove strukture med ohlajanjem do -196 °C.

Za nadaljnje branje

• Zmrzovanje v primerjavi z vitrifikacijo
• Kaj je ishemija in kako vpliva na kriokonzervacijo?
• Tehnični izzivi pri kakovostnem ohranjanju
• Slovarček za začetnike