Jeżeli celem witryfikacji jest doprowadzenie ciała do stabilnego stanu szklistego zamiast do powstania niszczących kryształów lodu, krioprotektanty umożliwiają osiągnięcie tego efektu. W pewnym sensie działają jak medyczny odpowiednik środka przeciw zamarzaniu. Jak wiele kluczowych rozwiązań w tej dziedzinie, wymagają jednak kompromisu: substancja chroniąca tkanki przed lodem może w niewłaściwej dawce działać toksycznie. Aby zrozumieć rolę krioprotektantów, trzeba zrozumieć, jak ogranicza się to ryzyko.
Dlaczego lód trzeba zatrzymać za wszelką cenę
Zacznijmy od wroga. Kiedy woda zamarza wewnątrz ciała, wywołuje dwa rodzaje uszkodzeń jednocześnie. Pierwszy jest mechaniczny: rosnące kryształy lodu wypychają otaczające je komórki w coraz węższe kanały niezamarzniętej cieczy, deformując znajdujące się w nich delikatne struktury. Drugi ma charakter chemiczny: gdy z roztworu wytrąca się lód, substancje rozpuszczone pozostają w coraz mniejszej objętości cieczy. Stężenie soli i innych związków może wtedy osiągnąć poziom szkodliwy dla komórek. Każdy z tych mechanizmów sam w sobie jest szkodliwy. Razem sprawiają, że zwykłe zamarzanie skutecznie niszczy dokładnie te struktury, które zapisują tożsamość człowieka.
Krioprotektanty stosuje się po to, by maksymalnie ograniczyć tworzenie się lodu. Zamiast zamarzać, tkanka ma przejść w stan szklisty, czyli ulec witryfikacji. Stopień zachowania jej struktury zależy między innymi od jakości perfuzji.
Czym właściwie są krioprotektanty
Krioprotektant działa podobnie jak płyn chłodniczy: rozpuszcza się w wodzie i obniża temperaturę, w której mogłyby tworzyć się kryształy lodu. W krionice stosuje się między innymi glicerol, glikol etylenowy, glikol propylenowy i dimetylosulfotlenek (DMSO). Dobiera się je i łączy tak, by ograniczyć powstawanie lodu. Dzielą się na dwie grupy, które wzajemnie uzupełniają swoje działanie:
- Środki penetrujące przenikają przez błonę komórkową i zapobiegają tworzeniu się lodu wewnątrz komórki.
- Środki niepenetrujące pozostają poza komórką i zapobiegają tworzeniu się lodu w przestrzeniach między komórkami, gdzie zwykle powstaje najpierw. Środki penetrujące przenikają przez błonę komórkową i częściowo zastępują wodę wewnątrz komórki, ograniczając powstawanie lodu w jej wnętrzu.
Stosuje się je razem z powodu, który okazuje się kluczowy. Ponieważ środki niepenetrujące chronią przestrzeń zewnątrzkomórkową, środki penetrujące mogą być stosowane w niższych stężeniach. Kluczowe znaczenie ma przy tym stężenie tych substancji.
Kompromis z toksycznością, czyli sedno sprawy
To podstawowy problem krioprotekcji. Aby zwiększyć szansę na skuteczną witryfikację, trzeba zastąpić znaczną część wody w tkankach krioprotektantem. Im wyższa jednak koncentracja, tym bardziej toksyczny staje się środek dla tkanki. Zbyt niskie stężenie sprzyja powstawaniu lodu, a zbyt wysokie może prowadzić do uszkodzeń chemicznych. Celem jest znalezienie równowagi między tymi dwoma zagrożeniami.
Dwie właściwości tych substancji pomagają ograniczać to ryzyko. Po pierwsze, toksyczność silnie zależy od temperatury: środek, który w cieple szkodziłby tkance, w chłodzie działa znacznie łagodniej. Krioprotektanty wprowadza się więc stopniowo, w rosnącej koncentracji, przy jednoczesnym schładzaniu ciała, co utrzymuje toksyczność na niskim poziomie na każdym etapie. Po drugie, odpowiednie połączenie substancji może być mniej toksyczne niż zastosowanie każdego z ich składników osobno w dawce zapewniającej ten sam efekt. Opracowywanie takich mieszanek pozostaje aktywnym obszarem badań, a ich udoskonalanie może wpływać na jakość ewentualnego przyszłego przywrócenia funkcji życiowych.
Rozwiązania stają się coraz lepsze
Stosowane obecnie krioprotektanty nie są pojedynczymi substancjami, lecz starannie opracowanymi mieszaninami, powstającymi przez dziesięciolecia badań. Kriobiolog Greg Fahy opracowywał kolejne generacje roztworów witryfikacyjnych, usuwając ograniczenia wcześniejszych formulacji. Wczesne mieszaniny jednoskładnikowe zastąpiono połączeniami DMSO, amidów i glikolu propylenowego. Glikol etylenowy zastąpił potem bardziej toksyczne składniki. Następnie wprowadzono substancje hamujące tworzenie się lodu, które pozwalają ograniczać krystalizację przy niższych stężeniach. Ostatni krok polegał na dostrojeniu proporcji składników niepenetrujących, by przeciwdziałać uszkodzeniom wywołanym chłodzeniem. Preparaty stosowane obecnie u ludzi są rezultatem tego wieloetapowego rozwoju. Tomorrow.bio i Cryonics Institute stosują zoptymalizowaną wersję roztworu VM1, zawierającą niemal równe części dimetylosulfotlenku i glikolu etylenowego. Inni dostawcy używają własnych, zastrzeżonych formuł. Podejścia te różnią się przede wszystkim kosztem oraz zakresem dostępnej dokumentacji: VM1 jest znacznie tańszy w przeliczeniu na przypadek. Badacze dysponują również predykcyjną miarą toksyczności, oznaczaną jako qv*, która pomaga projektować mieszaniny do witryfikacji o możliwie niskiej szkodliwości dla tkanek. Krioprotektant nie jest jedną, niezmienną substancją, lecz kategorią stale rozwijanych formulacji. Każde ulepszenie może poprawić stopień zachowania tkanek podczas procedury zabezpieczenia, co jest tematem rozwoju tej dziedziny.
Otwarty problem, którego nikt nie ukrywa
Pozostaje jeszcze jedna istotna trudność. W temperaturach kriogenicznych reakcje chemiczne zachodzą niezwykle wolno, dlatego toksyczność krioprotektantów przestaje być wówczas głównym problemem. Toksyczność staje się problemem przy ponownym ogrzewaniu. Podczas ewentualnego ogrzewania krioprotektanty musiałyby zostać szybko i bezpiecznie usunięte, aby nie uszkodziły tkanek. Bezpieczne przeprowadzenie tego procesu wymagałoby przyszłych metod medycznych umożliwiających przywrócenie funkcji życiowych. Nie jest to problem, który da się rozwiązać dzisiaj. Trzeba to powiedzieć jasno: obecnie przywrócenie funkcji życiowych po kriokonserwacji nie jest możliwe, a twierdzenie inaczej byłoby nieuczciwe. Założenie kriokonserwacji jest takie, że przyszła medycyna, zdolna usunąć pierwotną przyczynę śmierci, mogłaby także przeprowadzić kontrolowane ogrzewanie i wykorzystać zachowaną strukturę tkanek.
Znaczna część badań prowadzonych przez Tomorrow.bio i inne ośrodki dotyczy właśnie równowagi między skutecznym ograniczaniem powstawania lodu a toksycznością krioprotektantów. Każde ulepszenie mieszanki może poprawiać stopień zachowania struktury tkanek podczas chłodzenia do temperatury -196°C.
Podsumowanie: Krioprotektanty ograniczają tworzenie się lodu i umożliwiają witryfikację. Mogą jednak powodować toksyczność i stres osmotyczny, dlatego koncentracja, temperatura i sposób podania muszą być precyzyjnie kontrolowane.
Narzędzie praktyczne w szczegółach
Interaktywne narzędzie pomaga zbadać pytanie poruszone w tym artykule.
Wczytywanie narzędzia interaktywnego...
Dalsze materiały