Oto pytanie, które warto potraktować dosłownie: co właściwie chcemy osiągnąć, konserwując człowieka? Odpowiedź nie brzmi schłodzić go. Chłód jest środkiem, a nie celem samym w sobie. Celem jest maksymalne spowolnienie procesów biologicznych, tak aby upływ roku czy dziesięciu tysięcy lat nie miał istotnego znaczenia dla zachowania tkanek. Niemal wszystko inne, łącznie z tą dziwnie precyzyjną liczbą w tytule, wynika wprost z tego jednego wymogu.
Sensowne pytanie brzmi więc nie dlaczego tak zimno, tylko: jak bardzo trzeba schłodzić tkankę, żeby chemia ustała? Takim progiem jest temperatura zeszklenia roztworu krioprotektantów, wynosząca około -130°C. Poniżej niej ruch cząsteczek jest skrajnie ograniczony, a procesy metaboliczne praktycznie ustają. -196°C nie jest tym progiem. Jest to temperatura wrzenia ciekłego azotu, wyraźnie niższa od granicy istotnej dla procesu, utrzymywana samoczynnie dzięki właściwościom tej cieczy.
Rozkład to po prostu chemia, która jeszcze się nie zatrzymała
Gdy mówimy o rozkładzie ciała, mamy na myśli procesy chemiczne i biologiczne: działanie enzymów, reakcje chemiczne oraz aktywność drobnoustrojów. Każdy z tych procesów wymaga, by cząsteczki się poruszały i zderzały. Spowolnienie ruchu spowalnia chemię. Dostateczne spowolnienie tego ruchu w praktyce zatrzymuje procesy prowadzące do rozkładu.
Pomocna jest tu prosta zasada orientacyjna. W dużym przybliżeniu obniżenie temperatury o około 10°C zmniejsza tempo typowej reakcji mniej więcej o połowę. Nie wydaje się to dużą zmianą, dopóki nie uwzględni się wielu kolejnych spadków tempa reakcji. Przejście z temperatury ciała do głębokiego zimna nie spowalnia rozkładu dwu czy dziesięciokrotnie, lecz o czynniki z wieloma zerami. wyścig z rozkładem komórkowym, rozpoczynający się w chwili zatrzymania serca, polega przede wszystkim na możliwie szybkim obniżeniu temperatury, aby dalszy upływ czasu przestał mieć znaczenie.
Lód jest wrogiem. Szkło jest sprzymierzeńcem.
Można by założyć, że sztuka polega po prostu na zamrożeniu człowieka. Nic bardziej mylnego, a przyczyną jest woda. Woda podczas zamarzania zwiększa objętość, a powstające kryształy lodu mogą rozrywać błony komórkowe i uszkadzać delikatne struktury. Kryształy to nie jedyny problem. W miarę krystalizacji czystej wody sole i inne substancje rozpuszczone zagęszczają się w kurczącej się kieszeni pozostałego płynu. Komórki zanurzone w tym coraz bardziej stężonym roztworze tracą wodę i ulegają uszkodzeniu osmotycznemu, choć żaden kryształ ich nie dotyka. Zamrożenie człowieka tak, jak zamraża się stek, byłoby skutecznym sposobem na zniszczenie dokładnie tego, co próbuje się zachować.
Sposobem na obejście tego problemu jest witryfikacja. Większość wody w organizmie zastępuje się krioprotektantami, swego rodzaju medycznym środkiem przeciw zamarzaniu, a tkankę schładza się na tyle szybko, że nigdy nie dochodzi do krystalizacji. Zamiast tego tkanka przechodzi w stan szklisty, czyli w ciało stałe pozbawione kryształów lodu. Zwitryfikowana tkanka jest bardzo zimna i twarda, lecz nie jest zamrożona w sensie tworzenia niszczących kryształów lodu. Ta różnica jest sednem całej sprawy.
Liczba, która naprawdę się liczy, to około -130°C
Najważniejsza dla stabilności stanu szklistego temperatura nie wynosi -196°C. Jest nią temperatura zeszklenia, wynosząca około -130°C, poniżej której stan zwitryfikowany staje się stabilny. Powyżej niego stan szklisty może powoli się relaksować, a co gorsza, może zacząć rekrystalizować. Rekrystalizacja oznacza powstawanie kryształów lodu po wcześniejszym zeszkleniu materiału. Poniżej tego punktu ruch cząsteczek spada na tyle, że struktura po prostu się utrzymuje.
Skoro więc -130°C to punkt, w którym stan szklisty staje się stabilny, po co schładzać aż do -196°C? Z tego samego powodu, dla którego nie ustawia się zamrażarki na dokładnie 0°C w nadziei, że wystarczy: chodzi o margines. Przechowywanie tkanki ponad 60 stopni poniżej temperatury zeszklenia utrzymuje ją głęboko w strefie bezpiecznej, daleko od punktu, w którym stan szklisty mógłby zmięknąć albo lód mógłby zacząć się z powrotem tworzyć. Różnica między stabilnością osiąganą w idealnych warunkach a stabilnością zapewniającą duży margines bezpieczeństwa może mieć zasadnicze znaczenie dla zachowania tkanek.
Dlaczego akurat -196? Natura daje nam darmowy termostat.
Wartość -196°C nie została wybrana przez żaden komitet. Jest to temperatura wrzenia ciekłego azotu, co czyni ją wyjątkowo dogodną z punktu widzenia przechowywania.
Wrząca ciecz utrzymuje stałą temperaturę. Dopóki w zbiorniku znajduje się ciekły azot, jego temperatura utrzymuje się na poziomie -196°C, niezależnie od zmian temperatury otoczenia. To samoregulujący się termostat bez ruchomych części, bez sprężarki i, co kluczowe, bez żadnej zależności od prądu. Pacjenci i próbki są przechowywani w izolowanych próżniowo dewarach, które działają podobnie do termosów i znacząco ograniczają dopływ ciepła. Jedyną rutynową czynnością jest uzupełnianie azotu, który powoli odparowuje. Dla porównania, zamrażarka mechaniczna zawodzi w chwili, gdy zabraknie prądu. W przeciwieństwie do systemów mechanicznego chłodzenia takie przechowywanie nie zależy od ciągłości dostaw energii elektrycznej.
Azot jest przy tym tani, powszechnie dostępny (to większość powietrza, którym się właśnie oddycha), obojętny chemicznie i niepalny. Trudno byłoby zaprojektować czynnik chłodniczy lepiej dostosowany do długoterminowego przechowywania niż substancja pozyskiwana z atmosfery.
Cena, jaką płaci się za takie zimno
Wykorzystanie ciekłego azotu upraszcza system przechowywania, ale bardzo niska temperatura wiąże się także z określonymi ograniczeniami. Od temperatury zeszklenia do -196°C pozostaje jeszcze sześćdziesiąt sześć stopni schładzania, podczas których zwitryfikowana tkanka nadal się kurczy. Do tego momentu jest już krucha, więc skurcz nie może się rozładować. Narasta naprężenie mechaniczne, a po przekroczeniu pewnego progu materiał uwalnia je pęknięciem.
Zjawisko to jest odtwarzalne w laboratorium. Pękanie zwitryfikowanych roztworów krioprotektantów wynika ze skurczu termicznego i gradientów temperatury, jakie tworzy szybkie schładzanie dużego obiektu. Roztwory o wyższej temperaturze zeszklenia pękają rzadziej, ponieważ po zeszkleniu wymagają dalszego schłodzenia w mniejszym zakresie.
Całe ciało to najtrudniejszy przypadek. Pękanie zwykle zaczyna się poniżej temperatury zeszklenia. Jeśli perfuzja krioprotektantów przebiegła słabo, może zacząć się już przy temperaturze zaledwie -90°C. Pęknięcia mogą być widoczne gołym okiem albo przyjmować postać mikroskopijnych rozwarstwień. Pęknięcie oddziela fragmenty tkanki wzdłuż określonej płaszczyzny, nie powodując ich zmiażdżenia, jednak nadal jest uszkodzeniem wymagającym w przyszłości naprawy.
Obecną odpowiedzią jest cierpliwość. Całe schładzanie trwa niemal tydzień. Najwolniejszym etapem jest przejście przez temperaturę zeszklenia i dalsze chłodzenie poniżej niej, prowadzone pod kontrolą komputera w tempie około jednego stopnia na godzinę. Wolniejsze schładzanie oznacza mniejsze gradienty, a mniejsze gradienty oznaczają mniejsze naprężenia.
Przechowywanie w temperaturze pośredniej
Lepszą odpowiedzią jest wcześniejsze zatrzymanie schładzania. Przechowywanie w temperaturze pośredniej (Intermediate Temperature Storage) polega na utrzymywaniu pacjenta w temperaturze około -140°C zamiast -196°C. Jest to wciąż dziesięć stopni poniżej temperatury zeszklenia, a nie sześćdziesiąt sześć, dzięki czemu ruch cząsteczek pozostaje silnie ograniczony, przy znacznie mniejszym skurczu materiału.
Rozwiązanie techniczne jest pasywne. Zbiornik z ciekłym azotem znajduje się na dnie dewaru, a pacjent spoczywa w zimnych oparach nad nim, przy czym przestrzeń oparów jest regulowana do docelowej temperatury. Rozwiązanie to nie wymaga sprężarki ani stałego połączenia z siecią energetyczną, ponieważ wykorzystuje właściwości ciekłego azotu.
Pierwszy dewar ITS przeznaczony do przechowywania człowieka zostanie dostarczony do placówki European Biostasis Foundation w Szwajcarii w sierpniu 2026 roku. Pierwszym zadaniem będzie zmierzenie, ile ciekłego azotu faktycznie zużywa, ponieważ ta liczba wyznacza koszt przechowywania pacjenta przez sto lat. ITS nie zostanie zaoferowane członkom, dopóki ten koszt nie będzie znany.
Co naprawdę przetrwa w takim zimnie
W temperaturze -196°C czas biologiczny praktycznie się zatrzymuje. Aktywność enzymatyczna praktycznie ustaje, drobnoustroje nie mogą się namnażać, a samorzutne reakcje rozkładające tkankę zachodzą niezwykle wolno. Architektura molekularna ciała, a przede wszystkim mózgu, pozostaje dokładnie tam, gdzie była.
Ten ostatni punkt liczy się najbardziej. Biostaza opiera się na założeniu, że tożsamość biostazą jest to, że tożsamość danej osoby jest zapisana w fizycznej strukturze mózgu, w jego połączeniach i wzorcach. Temu zagadnieniu poświęcono osobny tekst o pamięci, tożsamości i mózgu. Zachowanie tej struktury w bezruchu zachowuje informację, nawet jeśli technologia pozwalająca ją odczytać i przywrócić funkcje jeszcze nie istnieje. Samo niskie temperatury nie rozwiązują wszystkich problemów związanych z zachowaniem tkanek. Można je porównać do zatrzymania procesów na bardzo długi czas, do chwili, gdy technologia pozwoli je ponownie ocenić.
Nic z tego nie wymaga bezbłędnej maszyny ani nieprzerwanych dostaw prądu. Wymaga stanu szklistego zamiast lodu i temperatury wyraźnie poniżej temperatury zeszklenia. Wymaga również cieczy wrzącej, której temperatura jest stabilizowana przez przemianę fazową. Właśnie dlatego -196°C jest temperaturą praktyczną dla długoterminowego przechowywania: pozwala zachować ciało w stabilnym stanie przez bardzo długi czas.
W skrócie: Pacjentów przechowuje się w temperaturze bliskiej -196°C, ponieważ ciekły azot naturalnie utrzymuje się w pobliżu tej wartości. Reakcje molekularne zachodzą niezwykle wolno, a przechowywanie nie wymaga nieprzerwanego zasilania urządzeń chłodniczych.
Narzędzie praktyczne w szczegółach
Interaktywne narzędzie pomaga zbadać pytanie poruszone w tym artykule.
Trwa wczytywanie narzędzia interaktywnego...
Więcej na ten temat