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Kryokonservierung

Der Traum vom Tiefkühlorgan

20.06.2017
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Von Michael Brendler / Menschliche Organe einfrieren zu können, ohne dass sie Schaden nehmen, ist ein Ziel von Kryobiologen. Dabei orientieren sie sich an Vorbildern aus dem Tierreich: dem Waldfrosch und dem arktischen Plattkäfer.

20 Grad unter Null – der Waldfrosch hat gelernt, sich selbst mit Rekordtemperaturen zu arrangieren. Wenn im Norden Kanadas das Thermometer Werte tief unter dem Gefrierpunkt anzeigt, wird Rana sylvatica zu Eis. Und das über Wochen und mehrmals hintereinander. Zwei Drittel seines Körpers lässt der Waldfrosch gefrieren, nur die wichtigsten Organe bleiben vom Eis verschont und arbeiten auf Sparflamme weiter. Im Frühjahr taut er auf, ohne dass er einen Schaden davongetragen hätte.

Ihre Kälteresistenz macht Rana sylva­tica und andere tierische Über­lebenskünstler zu begehrten Forschungsobjekten. Dabei geht es Wissenschaftlern nicht um den tiefgekühlten Menschen. Im Gegenteil: Angesichts ihrer Ergebnisse wirkt der Traum der Kryoniker, sich in Hoffnung auf ein ewiges Leben und die Forschung von morgen in einem -196 °C kalten Stickstoffbad einfrieren zu lassen, vollkommen unrealistisch. Das Ziel der Kryo­biologen – Kryos bedeutet auf Griechisch Frost – ist deutlich bescheidener: Sie wollen einzelne Organe durch Kälte konservieren.

 

Spenderorgane länger konservieren

 

Gerade in der Transplantationsmedizin ließen sich auf diese Weise Probleme lösen. Einmal aus dem Körper entnommen, haben Spendernieren nur eine sehr begrenzte Haltbarkeit. Nach 30 Stunden sind sie, selbst gekühlt und optimal versorgt, nicht mehr zu gebrauchen. Herz und Lunge überstehen nur ein Fünftel dieser Zeit. Nicht immer findet sich zu jedem Spender aber ein passender Empfänger in Reichweite, sodass in den Vereinigten Staaten allein bei den Nieren jedes fünfte Spenderorgan ungenutzt entsorgt werden muss. Die Kryobiologie könnte den ­Chirurgen diesen Zeitdruck nehmen. Der Haken: Bisher hat noch kein menschliches Organ den Gefrier­prozess heil überstanden.

 

Das könnte sich bald ändern, meint Professor Dr. John Bischof vom medizintechnischen Institut der Universität Minnesota im amerikanischen Minneapolis: »Der Durchbruch ist in greifbarer Nähe«, sagte der Biomedizintechniker, nachdem es ihm vor Kurzem gelang, zumindest Arterien und Herzklappen einzufrieren und unbeschadet wieder aufzutauen. Die Ergebnisse seiner ­Arbeit stellte Bischof im März im Fachjournal »Science Translational Medi­cine« vor (DOI: 10.112/scitranslmed.aah4586). Eine menschliche Niere ist allerdings um ein Vielfaches größer. Dass Bischofs Publikation trotzdem ­Furore machte, zeigt vor allem die ­Dimension des Projekts, das sich die Forscher vorgenommen haben.

 

Denn mit dem Gewebe des Waldfroschs sind menschliche Organe nicht zu vergleichen. Das große Problem der Kryobiologen: Eis ist in der Zelle stets zerstörerisch. »Das Wasser dehnt sich bei der Eiskristall-Bildung aus und verursacht im Gewebe und den Zellen Risse«, erklärt Professor Dr. Heiko Zimmermann, Leiter des Sulzbacher Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik. Dieser Umstand kostet auch Tiefkühlfrüchte wie Erdbeeren nach dem Auftauen ihre feste Form. Gleichzeitig trennen sich beim Vereisen die Bestandteile im flüssigen Inneren voneinander und durch die schnellere Eisbildung außerhalb bildet sich ein osmotischer Gradient, der die Flüssigkeit aus der Zelle saugt.

 

Eingefrorene Eizellen

 

Bei einzelnen Zellen können Zimmermann und seine Kollegen diese Faktoren kontrollieren. Spermien und Blutkörperchen werden schon seit etwa 60 Jahren in Tiefkühlschränken gelagert, seit 30 gelingt dies auch mit befruchteten Eizellen. Diesen Durchbruch verdanken die Wissenschaftler unter anderem Tieren wie dem Waldfrosch. Rana sylvatica verhindert mit einem körpereigenen Frostschutzmittel, extrem hohen Zuckerkonzentrationen, das Einfrieren seiner Organe. Die Medizin hat die Technik kopiert. In tiefgekühlten Körperzellen senken künstliche flüssige Kryoprotektiva den Gefrierpunkt und verhindern dadurch die Eisbildung. Gleichzeitig schützen und stabilisieren sie die Zelle.

Als wenig erfolgversprechend hat sich jedoch der Versuch entpuppt, die gleiche Technik an größeren Geweben anzuwenden. »Organe und Muskeln setzen sich aus vielen unterschiedlichen Zelltypen zusammen«, erklärt der Biophysiker. Und alle hätten wiederum unterschiedliche Gefriereigenschaften. Wenn die Eisbildung im Bindegewebe kontrolliert werden kann, ist sie ­gleichzeitig in der Muskelzelle ein paar Mikrometer weiter oft nicht mehr aufzuhalten. An Zimmermanns Fraunhofer-Institut versucht man inzwischen, zumindest kleinere Stammzellkolonien einzufrieren – und kann trotzdem bisher Schäden oft nicht vermeiden.

 

Und die Kryoprotektiva bringen wiederum neue Schwierigkeiten mit sich: Die meisten sind selbst giftig. Schon bei einer 5 mm dicken Gewebescheibe dauert es rund sechs Stunden, bis die Standardsubstanz Dimethylsulfoxid die Zellen im Inneren erreicht. Manche äußere Zellen, die in der ­Zwischenzeit viel höheren Konzen­trationen ausgesetzt sind, werden in dem Chemikalienbad bis dahin schon vergiftet.

 

Um sich angesichts derartiger Hindernisse doch noch den Traum vom Tiefkühlorgan zu erfüllen, haben die Kryobiologen neue Vorbilder gesucht. Beim arktischen Käfer Cucujus clavipes puniceus wurde man fündig. Dessen Larven stellen mit einem Kälterekord von -100 °C selbst den Waldfrosch in den Schatten (»The Journal of Experimental Biology« 2009, DOI: 10.1242/jeb.035758). Im Gegensatz zu ihm verwandeln sie ihr Inneres nicht in Eis, sondern in eine Art Glas, sie vitrifizieren es, wie es in der Fachsprache heißt. Der entscheidende Unterschied ist, dass sich bei diesem »Schnappschuss der Chemie«, wie Zimmermann den Vorgang nennt, keine zerstöre­rischen Kristalle bilden. Das Gewebe erstarrt so schnell, dass den Wassermolekülen zu wenig Zeit dafür bleibt.

 

Um diese Geschwindigkeit zu erreichen, muss das Organ allerdings rasant runtergekühlt werden. Dem amerikanischen Kryobiologen Dr. Greg Fahy gelang es vor acht Jahren, zumindest eine Kaninchenniere im Stickstoffbad zu vitri­fizieren und sie dem Tier wieder aufgetaut einzupflanzen. »Aber ein menschliches Organ?«, fragt Professor Dr. Birgit Glasmacher, Leiterin des Instituts für Mehrphasenprozesse an der Leibniz Universität Hannover. »Sie müssen dem Gewebe innerhalb kürzester Zeit eine riesige Menge Wärmeenergie entziehen, und das überall im Organ gleichzeitig und mit der gleichen ­Geschwindigkeit«, schon die kleinste Unregelmäßigkeit kann zur gefähr­lichen Eiskristallbildung führen. Weil die Kryoingenieurin momentan keinen Weg sieht, dies mit herkömmlichen Mitteln zu erreichen, plant sie nun, künstliche Organe mit zusätzlichen Kühlleitungen zu züchten.

 

Auftauprozess mit Tücken

 

Eine andere Schwierigkeit könnte bald der Vergangenheit angehören – dank Bischofs Entdeckung. Denn auch der Wiederauftau-Prozess ist tückisch. Genau wie bei der Vitrifizierung werden beim umgekehrten Vorgang Temperaturbereiche durchschritten, bei denen das Gewebe zur Eisbildung neigt – wenn man sie nicht schnell genug durchschreitet.

 

Mit den bisherigen Tauverfahren – Mikrowellen oder dem 37-Grad-Wasserbad – lässt sich das kaum verhindern. Der Amerikaner mischt deshalb schon vor dem Kühlprozess magnetische Nanoteilchen unter die Kryoprotektiva. Wird später von außen ein magnetisches Feld angelegt, erhitzen sie sich und tauen das Organ schnell und gleichmäßig auf. In den kommenden Monaten will er die Technik nun an Kaninchennieren und anschließend an menschlichen Haut- und Muskelproben testen.

 

Glasmacher bleibt trotzdem vorsichtig: Bisher sei dem amerikanischen Kollegen ein »proof of principle« gelungen. »Herzklappen sind nur zweihundert Mikrometer dick, Arterien mit einem Millimeter Wandstärke bestehen vor allem aus einem Lumen – im Vergleich zu dem Einfrieren und Auftauen ganzer Organe ist das eine einfache Aufgabe.« /

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