Het medische antivriesmiddel (ook wel cryoprotectant)

Alsvitrificatie het doel is, een lichaam in een stabiele glasachtige toestand brengen in plaats van destructief ijs, dan zijn cryoprotectanten de truc die het fysiek mogelijk maakt. Ze zijn, bijna letterlijk, medisch antivries. En net als veel van de belangrijkste gereedschappen in dit vakgebied, brengen ze een scherp afweging met zich mee. De hele procedure is eromheen ontworpen. Het middel dat het weefsel beschermt tegen ijs is ook giftig voor het weefsel bij de verkeerde dosering. Cryoprotectanten begrijpen betekent begrijpen hoe die spanning wordt beheerd.

Waarom ijs gestopt moet worden, koste wat kost

Begin met de vijand. Wanneer water in een lichaam bevriest, veroorzaakt het twee soorten schade tegelijk. De eerste is mechanisch: terwijl ijs kristallen groeien, verpletteren ze de cellen eromheen in steeds smallere kanalen van onbevroren vloeistof, waardoor de fijne structuren binnenin vervormen. De tweede is chemisch: terwijl zuiver water bevriest, wordt alles wat erin was opgelost samengeperst in de krimpende vloeistof die overblijft, waardoor zouten en opgeloste stoffen geconcentreerd raken tot die pocket vloeistof giftig wordt. Zelfs één van beide alleen zou al erg zijn. Samen maken ze gewone bevriezing een betrouwbare manier om de structuren te vernietigen diejouw identiteit bepalen.

Cryoprotectanten zorgen ervoor dat ijs nooit ontstaat. In plaats van te bevriezen, gaat het weefsel over in de glasachtige, vitrificerende toestand, en de structuur wordt zo goed mogelijk behouden door de perfusie toe te laten.

Wat cryoprotectanten precies zijn

Een cryoprotectieve stof gedraagt zich veel als het antivriesmiddel dat je in de radiator van een auto doet: het lost op in water en verlaagt de temperatuur waarbij dat water anders zou kristalliseren. De medische versies die in cryonica worden gebruikt, zoals glycerol, ethyleenglycol, propyleenglycol en dimethylsulfoxide (DMSO), worden gekozen en gemengd voor precies die taak. Ze vallen uiteen in twee families die als team werken:

• Doordringende middelen dringen de celmembraan binnen en voorkomen dat ijs zich vormtbinnenin de cel.
• Niet-doordringende middelen blijven buiten de cel en voorkomen dat ijs zich vormt in de ruimtestussen cellen, waar het vaak als eerste verschijnt. Doordringende middelen dringen de celmembraan binnen en vervangen veel van het water binnenin, waardoor ijsvorming binnen de cel zelf wordt voorkomen.

Ze worden samen gebruikt om een reden die centraal blijkt te zijn. Omdat de niet-doordringende middelen de makkelijke, ijsgevoelige ruimte buiten de cellen aanpakken, hoeven de doordringende middelen niet in zulke hoge concentraties binnenin de cellen te worden gebracht. En concentratie, zoals we zo zullen zien, is het hele probleem.

De toxiciteitsafweging, dat is het echte verhaal

Hier is de spanning die het hele veld van cryoprotectie definieert. Om betrouwbaar te vitrificeren, moet je een groot deel van het water in het lichaam vervangen door cryoprotectant. Maar hoe hoger de concentratie, hoe giftiger het middel wordt voor het weefsel. Gebruik je te weinig en je krijgt ijs. Gebruik je te veel en je krijgt chemische schade. De kunst is om precies tussen die twee te balanceren.

Twee feiten maken die naald doorsteekbaar. Ten eerste hangt toxiciteit sterk af van de temperatuur: een middel dat weefsel zou beschadigen als het warm is, is veel minder schadelijk als het koud is. Daarom worden de cryoprotectantia geleidelijk toegediend, in stijgende concentratie, terwijl het lichaam gelijktijdig wordt gekoeld, zodat de toxiciteit op elk moment laag blijft. Ten tweede kunnencombinaties van middelen de totale toxiciteit van het mengsel verlagen tot onder wat een enkel middel op volle sterkte zou veroorzaken. Die juiste mix vinden is een actief onderzoeksprobleem, en het verbeteren ervan is een van de concrete hefbomen voortoekomstige herlevingskwaliteit.

De oplossingen zelf blijven beter worden

Het cryoprotectant dat vandaag wordt gebruikt is geen enkele chemische stof maar een zorgvuldig afgestemd mengsel, en het is het resultaat van tientallen jaren iteratie. De cryobioloog Greg Fahy bouwde zijn vitrificatie-oplossingen in generaties. Elke generatie loste een tekortkoming van de vorige op. Vroege mengsels met één middel maakten plaats voor combinaties van DMSO met amiden en propyleenglycol. Ethyleenglycol verving daarna de meer giftige componenten. Moleculen die ijsvorming blokkeren kwamen daarna, waardoor kristallisatie bij lagere concentraties werd onderdrukt. De laatste stap was het aanpassen van de balans van de niet-penetrerende componenten om koudeletsel tegen te gaan. De huidige middelen voor menselijk gebruik staan aan het eind van die keten. Tomorrow.bio en de Cryonics Institute gebruiken een geoptimaliseerde versie van een oplossing die VM1 heet. Die bestaat uit ruwweg gelijke delen dimethylsulfoxide en ethyleenglycol. Andere aanbieders gebruiken eigen, vaak geheime formules. De twee vertegenwoordigen verschillende afwegingen tussen kosten en documentatie. VM1 is per geval veel goedkoper. Onderzoekers hebben zelfs een voorspellende maat voor toxiciteit, geschreven als qv*, die helpt mengsels te ontwerpen die betrouwbaar vitrificeren met zo min mogelijk schade. Het punt is dat 'het cryoprotectant' geen vaststaand iets is maar een bewegend front, en elke verbetering verhoogt direct de getrouwheid van een bewaring, het thema vanhet veld vooruit helpen.

Het open probleem dat niemand verbergt

Er is nog een eerlijke complicatie. Bij cryogene temperaturen zijn cryoprotectantia helemaal niet giftig, omdat er niets reageert; alles staat stil. De toxiciteit is een probleem vanopwarmen. Onderweg omhoog moeten de middelen snel en schoon worden verwijderd om weefselschade te voorkomen. Dat goed doen is een probleem voor de toekomstige geneeskunde die de herleving zou moeten regelen. Het is vandaag niet op te lossen. We zeggen dat ronduit, wantherleving is momenteel niet mogelijk en doen alsof dat wel zo is zou oneerlijk zijn. De gok is dat een beschaving die de oorspronkelijke doodsoorzaak kan herstellen, ook een gecontroleerde opwarming aankan, en dat de bewaarde structuur haar iets waardevols geeft om mee te werken.

Die balans, meer antivries versus minder toxiciteit, is precies waar veel van het huidige onderzoek bij Tomorrow.bio en elders zich op richt. Elke verbetering in het mengsel is een directe verbetering van hoe getrouw iemands structuur de reis naar-196°C overleeft.

Meer lezen

• Invriezen vs. vitrificatie
• Wat is ischemie, en hoe beïnvloedt het cryopreservatie?
• Technische uitdagingen voor hoogwaardige bewaring
• Kritische woordenlijst