Kryoprotektiva und Refraktometer für die Kryonik

Einführung

Zur Qualitätssicherung der Kryokonservierung unterstützt die DGAB den Aufbau von mehreren lokalen Zentren in Deutschland, in denen die Kryokonservierung in Zukunft nach aktuellen wissenschaftlichen Standards angeboten wird. Die Kryoprotektiva, insbesondere das VM-1, wurden der DGAB direkt vom Cryonics Institute geliefert. Die 14 gelieferten Kanister entsprechen 140 Litern VM-1, welches in jedem Fall für zwei Kryokonservierungen ausreichend ist.

Der Abschluss der erfolgreichen Perfusion wird in der Kryonik üblicherweise mit einem Refraktometer bestimmt, welches den Brechungsindex der bei der Perfusion austretenden Flüssigkeit misst. Hat diese denselben Brechungsindex wie das eingeleitete VM-1, so gilt die Perfusion als abgeschlossen. Die DGAB hat für diesen Zweck zwei baugleiche Refraktometer Typ DR201-95 des deutschen Traditionsherstellers A.KRÜSS Optronic GmbH angeschafft. Das DR201-95 wurde speziell für die schnelle und einfache Qualitäts- und Prozesskontrolle entwickelt.

Das vorliegende Experiment sollte zwei Fragen beantworten:

  1. Wie stark weichen die Messergebnisse der einzelnen Refraktometer voneinander ab?
  2. Wie stark weichen die Messergebnisse des VM-1 aus den 14 Kanistern voneinander ab?

Methoden

Kryonik

Abb. 1: Material 2 Refraktometer vom Typ Krüss DR201-95, 15 steril verpackte Einwegspritzen

Zunächst wurden beide Refraktometer mit destilliertem Wasser nach Anleitung kalibriert. Zu Vergleichszwecken wurde auch der Brechungsindex des destillierten Wassers gemessen. Anschließend wurde mit einer steril verpackten Einwegspritze ein wenig VM-1 aus einem Kanister entnommen (<1 ml). Das VM-1 wurde mit beiden Refraktometern gemessen, anschließend wurden beide Refraktometer gründlich gesäubert und trocken gewischt. Für jeden der 14 VM-1 Kanister wurde eine neue Einwegspritze als Pipette verwendet, um jegliche Kontamination zu vermeiden.

Resultate

Kryokonservierung

Abb. 2: Messung des Brechungsindex von VM-1 mit beiden Refraktometern

Die maximale Abweichung zwischen den beiden Refraktometern lag bei 0,008, im Mittel unterschieden sich die Messwerte um 0,0003.

Der niedrigste gemessene Wert lag bei 1,4207 (Refraktometer 1) bzw. 1,4204 (Refraktometer 2), der jeweils höchste gemessene Wert war 1,4237 respektive 1,4234. Die Durchschnittswerte über die Messungen aller 14 Kanister lagen bei 1,4219 mit Refraktometer 1 bzw. 1,4218 mit Refraktometer 2.

Die vollständige Ergebnistabelle findet sich im Anhang unter diesem Beitrag.

Diskussion

Alle 14 Kanister VM-1 wurden bei jeder Messung und mit jeweils beiden Refraktometern mit dem vom Cryonics Institute vorgegebenen Zielwert von 1,42 gemessen. Die Abweichungen zwischen den einzelnen Kanistern sowie die Abweichungen bei Messungen mit verschiedenen Refraktometern des gleichen Typs waren minimal und vernachlässigbar. Die DGAB hat somit eine sichere und anwendbare Methode entwickelt, um die Perfusion mit Kryoprotektiva in der Kryonik wissenschaftlich zu überwachen.

Anhang

Anhang 1: Vollständige Tabelle der Messergebnisse für destilliertes Wasser und alle 14 Kanister VM-1 mit beiden Refraktometern

Flüssigkeit Refraktometer 1 Refraktometer 2
destilliertes Wasser 1,3326 1,3326
VM-1 Kanister 1 1,4212 1,4213
VM-1 Kanister 2 1,4220 1,4219
VM-1 Kanister 3 1,4237 1,4234
VM-1 Kanister 4 1,4216 1,4215
VM-1 Kanister 5 1,4220 1,4221
VM-1 Kanister 6 1,4207 1,4204
VM-1 Kanister 7 1,4221 1,4216
VM-1 Kanister 8 1,4224 1,4220
VM-1 Kanister 9 1,4219 1,4221
VM-1 Kanister 10 1,4222 1,4217
VM-1 Kanister 11 1,4218 1,4223
VM-1 Kanister 12 1,4216 1,4212
VM-1 Kanister 13 1,4214 1,4222
VM-1 Kanister 14 1,4216 1,4216

Kryokonservierung-Methode gewinnt Brain Preservation Technology Prize!

Die heutigen Nachrichten der Brain Preservation Foundation sind ein enormer Durchbruch in der wissenschaftlichen Erforschung der Kryonik: zum ersten Mal wurde das Gehirn eines kleinen Säugetiers nachweislich nahezu perfekt konserviert! Damit geht die erste Stufe des ausgeschriebenen Forschungspreises an die Wissenschaftler von 21st Century Medicine.

Die angewandte Methode besteht aus einem zweistufigen Verfahren, bei dem das Gehirn zunächst mit Chemikalien fixiert und anschließend zur Lagerung bis auf -130°C in einen glas-ähnlichen Zustand runtergekühlt wird.

Die Ergebnisse sind bereits im renommierten Wissenschafts-Journal Cryobiology publiziert und wurden zusätzlich von unabhängigen Wissenschaftlern in ausgiebigen Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop verifiziert. Die Brain Preservation Foundation stellt ausgiebiges Foto- und Videomaterial auf ihrer Homepage zur Verfügung.

Ken Hayworth, Präsident der Foundation und einer der Preisrichter, sagt zu dem Ergebnis:

„Alle Neuronen und Synapsen im gesamten Gehirn sehen sehr schön konserviert aus. Das ist absolut erstaunlich, wo ich doch dasselbe Gehirn in der Hand gehalten habe als es glas-ähnlich gefroren war…Das ist nicht die Kryonik von früher“

Mit Dr. Shawn Mikula und seinem Team vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried war auch ein Team aus Deutschland im Rennen um den Preis und hat im Journal Nature Methods seinen Methoden publiziert. Leider reichte es jedoch am Ende nicht für den Gewinn – aber der Preis geht ja jetzt in die zweite Runde, bei der es um die Konservierung des Gehirns eine größeren Säugetiers gehen wird.

Als lesenswertes Hintergrundmaterial, welches sich auch an Wissenschaftsjournalisten konkret richtet, sei hier noch das Infopaket von Evience-Based Cryonics und dem UK Cryonics Cryopreservation Research Network empfohlen.

Die DGAB gratuliert herzlich den Gewinnern!

Autor: Dirk Nemitz

Die Wissenschaft zur Kryonik

Im renommierten MIT Technology Review haben gleich vier Professoren einen Artikel dazu geschrieben, was uns das Nervensystem eines Fadenwurms, gefrorene Embryos und extreme Hypothermie uns über eine mögliche Konservierung des Gedächtnisses durch Kryonik verraten können.

Besonders spannend ist hier das Beispiel des Fadenwurms C. elegans, welcher seit Jahrzehnten regelmäßig in flüssigem Stickstoff konserviert und wieder aufgetaut wird, und die Prozedur problemlos überlebt.

Der Artikel bietet eine gute Zusammenfassung der Forschungsergebnisse, die dafür sprechen, dass Kryonik grundsätzlich funktionieren kann. Das Fazit der Autoren:

It is easy to dismiss controversial practices such as cryonics and gloss over the research surrounding them, but we should remember and even respect that prevailing views are often shown to be incorrect, and that what is impossible now may be possible in the future.

 

BBC zur Kryokonservierung von Organen

BBC Future berichtet über den aktuellen Stand der Forschung zur Kryokonservierung von Organen. Erwähnt wird auch ein neu gegründetes Nonprofit, die Organ Preservation Alliance, eine wohltätige Organisation in den Singularity University Labs von NASA Research Park in Kalifornien, USA. Die Alliance plante einen Multi-Millionen Dollar Preis um einen Durchbruch im Bereich der Organ-Kryokonservierung zu fördern.

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.

Morgan Freeman

Morgan Freeman berichtet in der Sendung Through the Wormhole von möglichen Schlüsseltechnologien für eine höhere Lebenserwartung. Zu Wort kommt u.a. die Kryobiologie-Koryphäe Dr. Gregory M. Fahy zum Thema Kryokonservierung von Organen.

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