Überblick über die Kryokonservierung

Der Begriff Kryokonservierung beschreibt das Haltbarmachen von organischem Material durch tiefe Temperaturen. Was wir aus dem Tiefkühlregal kennen, lässt sich auch auf tierische Zellen und Organe anwenden – sollen diese aber nach dem Auftauen wieder funktionieren, wird die Sache kompliziert.

Das Wasser in den Zellen und um sie herum bildet beim Einfrieren Eiskristalle. Neben den mechanischen Schäden an den Zellmembranen tut sich noch ein anderes Problem auf: Durch den relativen Wasserentzug können manche intrazellulär gelöste Stoffe zytotoxische Konzentrationen erreichen.

Gefrierschutz

Manche Wesen können Tiefkühlstadien überleben. Das erstaunlichste von ihnen ist das Bärtierchen:  Das nur 500 μm große Tier überlebt unbeschadet Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (−273,15 °C). Dazu reichert es im Inneren seiner Zellen einen Zucker an, der die Eigenschaften der Intrazellulärflüssigkeit so verändert, dass sie vor Gefrierschäden geschützt sind – der Zucker ist also ein Kryoprotektor.

Wie funktioniert dieser Gefrierschutz? Der Kryoprotektor sorgt in der Zelle dafür, dass die Flüssigkeit zäher wird und früher erstarrt. Dadurch entsteht beim Abkühlen statt einer festen Phase eine starre Flüssigkeit, vergleichbar mit Glas. Man nennt diesen Vorgang Vitrifikation.

Dieses Prinzip macht man sich in der Kryokonservierung zu nutze. Gängige Kryoprotektoren sind dabei DMSO (Dimethylsulfoxid), Glycerin und Amidverbindungen. Diese sind u.a. in der Vitrifikationslösung namens M22 enthalten, mit der es Fahy et al. 2009 gelang, eine Kaninchenniere zu vitrifizieren, sie wieder aufzutauen und in das Kaninchen zu reimplantieren. Zum ersten Mal war ein Kaninchen nach einer solchen Prozedur dauerhaft überlebensfähig. Doch die Prozedur war nicht ohne Komplikationen: In den ersten Tagen entgleiste das Hämoglobin nach unten und das Serum-Kalium nach oben, das Tier verlor 18% Körpergewicht und war allgemein recht schlapp.

Toxizität

Das Problem: Kryoprotektoren sind toxisch. Bei größeren Organen müssen mehr Zellen erreicht werden, sie sind nicht gleichmäßig abkühlbar und man braucht größere Mengen an Kryoprotektor. Noch können Organe wie die menschliche Leber, das Herz oder gar das Gehirn nach dem Einfrieren nicht wiederhergestellt werden. In dem Glauben an den medizinischen Fortschritt ist es jedoch jetzt schon möglich, sich nachdem man rechtlich für tot erklärt wurde, auf unbestimmte Zeit kryokonservieren zu lassen.

Spermien, Eizellen und Embryonen möchte man möglichst wenig toxischen Substanzen aussetzen. Methode der Wahl ist hier das slow programmable freezing: Durch langsames Herunterkühlen kann das Wasser die Zelle verlassen, es entstehen so keine intrazellulären Eiskristalle. Dabei hat jede Zelle eine eigene optimale Abkühlgeschwindigkeit, meist um 1°C/min. Das Verfahren ist schon seit einigen Jahren etabliert: Bereits 1984 wurde das erste Kind geboren, das als Embryo für längere Zeit eingefroren war.

Für den Fortschritt der Kryokonservierung ist es bedeutsam, die Zytotoxizität der Kryoprotektoren zu senken. Ansätze sind bereits vorhanden: So ist das oben erwähnte M22 eine Lösung aus mehreren Kryoprotektoren, die in Kombination die Schäden gegenseitig in Grenzen halten.