Als vitrificatie het doel is, dus het lichaam zonder schadelijke ijsvorming in een stabiele, glasachtige toestand brengen, maken cryoprotectanten dat mogelijk. Het zijn, bijna letterlijk, medische antivriesmiddelen. Zoals veel middelen in dit vakgebied vereisen ze een zorgvuldige afweging. De hele procedure is rond die afweging ontworpen. Een stof die weefsel tegen ijsvorming beschermt, kan in een te hoge dosis ook giftig zijn. Wie cryoprotectanten wil begrijpen, moet begrijpen hoe die spanning wordt beheerst.
Waarom ijsvorming moet worden voorkomen
Eerst is het belangrijk te begrijpen waarom ijsvorming schadelijk is. Wanneer water in het lichaam bevriest, ontstaan er twee soorten schade. De eerste is mechanisch: groeiende ijskristallen beschadigen omliggende cellen, terwijl de resterende onbevroren vloeistof zich in steeds kleinere ruimten concentreert en fijne structuren vervormt. De tweede is chemisch: wanneer zuiver water bevriest, raken zouten en andere opgeloste stoffen geconcentreerd in de resterende vloeistof, totdat die concentraties schadelijk worden. Beide vormen van schade zijn afzonderlijk al ernstig. Samen vergroten deze processen de kans dat juist de structuren beschadigd raken waarin iemands biologische informatie is opgeslagen.
Cryoprotectanten zijn bedoeld om ijsvorming zo veel mogelijk te voorkomen. In plaats van te bevriezen kan het weefsel overgaan in een glasachtige, gevitrificeerde toestand, waarbij de structuur behouden blijft voor zover de perfusie dat mogelijk maakt.
Wat cryoprotectanten precies zijn
Een cryoprotectief middel werkt ongeveer zoals de antivries in koelvloeistof: het lost op in water en verlaagt de temperatuur waarbij dat water anders zou kristalliseren. De in de cryoniek gebruikte middelen, zoals glycerol, ethyleenglycol, propyleenglycol en dimethylsulfoxide (DMSO), worden om die eigenschap geselecteerd en gecombineerd. Er zijn twee groepen middelen die samen worden gebruikt:
- Penetrerende middelen passeren het celmembraan en helpen ijsvorming te voorkomen binnen de cel.
- Niet-penetrerende middelen blijven buiten de cel en helpen ijsvorming in de ruimten tussen cellen te beperken. Penetrerende middelen passeren het celmembraan en nemen in de cel gedeeltelijk de plaats van water in, waardoor daar minder gemakkelijk ijs ontstaat.
Die middelen worden samen gebruikt om een belangrijke reden. Doordat niet-penetrerende middelen de ruimte buiten de cellen beschermen, kunnen de concentraties van penetrerende middelen in de cel lager blijven. Juist de concentratie vormt daarbij een belangrijk probleem.
De afweging tussen bescherming en toxiciteit
Dit is de spanning die het hele vakgebied van cryoprotectie bepaalt. Voor betrouwbare vitrificatie moet een groot deel van het water in het lichaam worden vervangen door cryoprotectanten. Maar hoe hoger de concentratie, hoe giftiger het middel wordt voor het weefsel. Gebruik je te weinig, dan krijg je ijs. Gebruik je te veel, dan krijg je chemische schade. De uitdaging is een concentratie te kiezen die ijsvorming beperkt zonder onaanvaardbare toxiciteit te veroorzaken.
Twee feiten maken dat mogelijk. Ten eerste hangt toxiciteit sterk af van de temperatuur: een middel dat bij hogere temperaturen weefsel zou beschadigen, is bij lage temperaturen minder schadelijk. Daarom worden cryoprotectanten geleidelijk en in oplopende concentraties toegediend, terwijl het lichaam wordt gekoeld, zodat de toxiciteit beperkt blijft. Ten tweede kunnen zorgvuldig gekozen combinaties de totale toxiciteit beperken tot onder het niveau dat de afzonderlijke middelen bij hoge concentraties zouden veroorzaken. Het vinden van de juiste mengverhouding is een actief onderzoeksgebied en een belangrijke factor voor de kwaliteit van een eventuele toekomstige reanimatie.
De oplossingen worden steeds beter
Het cryoprotectieve mengsel dat tegenwoordig wordt gebruikt, bestaat niet uit één chemische stof maar uit zorgvuldig afgestemde componenten, het resultaat van decennia van verfijning. De cryobioloog Greg Fahy ontwikkelde zijn vitrificatieoplossingen stapsgewijs, in verschillende generaties. Elke nieuwe generatie loste een tekortkoming van de vorige op. Vroege mengsels met één middel maakten plaats voor combinaties van DMSO met amiden en propyleenglycol. Daarna verving ethyleenglycol enkele giftigere bestanddelen. Vervolgens werden ijsremmende moleculen toegevoegd, die kristallisatie ook bij lagere concentraties helpen voorkomen. In een latere stap werd de verhouding van de niet-penetrerende bestanddelen aangepast om koudeschade tegen te gaan. De huidige middelen voor gebruik bij mensen zijn het voorlopige resultaat van die ontwikkeling. Tomorrow.bio en het Cryonics Institute gebruiken een geoptimaliseerde versie van de oplossing VM1, die uit ongeveer gelijke delen dimethylsulfoxide en ethyleenglycol bestaat. Andere aanbieders gebruiken eigen formules die door patenten worden beschermd. Deze benaderingen weerspiegelen verschillende afwegingen tussen kosten en wetenschappelijke onderbouwing: VM1 is per behandeling veel goedkoper. Onderzoekers gebruiken een voorspellende maat voor toxiciteit, qv* genoemd, om mengsels te ontwerpen die betrouwbaar vitrificeren en zo weinig mogelijk schade veroorzaken. Belangrijk is dat cryoprotectanten geen vaststaande stoffen of mengsels zijn, maar voortdurend worden verbeterd. Elke verbetering kan de kwaliteit van de bewaring vergroten en het vakgebied vooruithelpen.
Het nog onopgeloste probleem
Er is nog een belangrijke beperking. Bij cryogene temperaturen is de toxiciteit van cryoprotectanten niet het voornaamste probleem, omdat chemische reacties dan vrijwel stilvallen. De toxiciteit is een probleem van het opwarmen. Tijdens het opwarmen zouden de middelen snel en volledig moeten worden verwijderd om verdere weefselschade te voorkomen. Daarvoor zijn toekomstige medische technieken nodig, mocht reanimatie ooit mogelijk worden. Met de huidige medische kennis is dat probleem niet op te lossen. Dat moet duidelijk zijn: reanimatie is momenteel niet mogelijk en anders beweren zou misleidend zijn. Daarbij wordt verondersteld dat een toekomstige samenleving niet alleen de oorspronkelijke doodsoorzaak kan verhelpen, maar ook een gecontroleerde opwarming kan uitvoeren, en dat de bewaarde structuur daarvoor voldoende biologische informatie bevat.
Veel lopend onderzoek bij Tomorrow.bio en elders richt zich op de balans tussen betere bescherming tegen ijsvorming en minder toxiciteit. Elke verbetering van het mengsel kan ertoe bijdragen dat de structuur van een persoon beter behouden blijft bij afkoeling tot −196 °C.
Kort samengevat: Cryoprotectanten remmen ijsvorming en maken vitrificatie mogelijk. Ze kunnen ook toxische effecten en osmotische stress veroorzaken, waardoor concentratie, temperatuur en toediening zorgvuldig moeten worden gecontroleerd.
Ontdek dit praktische hulpmiddel
Gebruik het interactieve hulpmiddel om de vraag in dit artikel te onderzoeken.
De interactieve tool wordt geladen...
Meer lezen