Medicinski antifriz (poznat i kao krioprotektant)

Ako je cilj vitrifikacija, odnosno dovođenje tijela u stabilno staklasto stanje bez stvaranja razornog leda, krioprotektanti su sredstva koja to omogućuju. Riječ je, pojednostavljeno rečeno, o medicinskom antifrizu. Kao i mnogi drugi ključni postupci na ovom području, krioprotektanti imaju ozbiljan nedostatak: u određenim koncentracijama mogu biti toksični. Ono što tkivo štiti od leda, u pogrešnoj dozi mu je otrovno. Da bismo razumjeli krioprotektante, potrebno je razumjeti kako se održava ravnoteža između sprječavanja stvaranja leda i toksičnosti.

Zašto se led mora zaustaviti, pod svaku cijenu

Krenimo od neprijatelja. Kad se voda unutar tijela zamrzne, nastaju dvije vrste štete istovremeno. Prva je mehanička: kristali leda rastu i stišću okolne stanice u sve uže kanale nezamrznute tekućine, deformirajući fine strukture unutar njih. Druga je kemijska: dok se voda pretvara u led, otopljene tvari ostaju u preostaloj tekućini i sve se više koncentriraju, pa ona može postati toksična za stanice. Svaka od te dvije štete sama za sebe bila bi loša. Zajedno, ti procesi pri običnom zamrzavanju mogu uništiti strukture na kojima počivaju pamćenje, osobnost i identitet osobe, one strukture koje sadrže identitet osobe.

Krioprotektanti postoje zato da led od samog početka ne nastane. Umjesto da se zamrzne, tkivo prelazi u vitrificirano, staklasto stanje, a očuvanost njegove strukture ovisi o kvaliteti perfuzije.

Što su krioprotektanti zapravo

Krioprotektivno sredstvo ponaša se slično antifrizu koji se ulijeva u hladnjak automobila: otapa se u vodi i snižava temperaturu na kojoj bi se ta voda inače pretvorila u led. U krionici se za tu svrhu koriste smjese tvari kao što su glicerol, etilen-glikol, propilen-glikol i dimetil sulfoksid (DMSO). Dolaze u dvije skupine koje djeluju zajedno:

• Penetrirajuća sredstva prolaze kroz staničnu membranu i sprječavaju stvaranje leda unutar stanice.
• Nepenetrirajuća sredstva ostaju izvan stanica i sprječavaju stvaranje leda u prostoru između stanica, gdje se led obično prvi javlja. Penetrirajuća sredstva prolaze kroz staničnu membranu i zamjenjuju dio unutarstanične vode, čime smanjuju vjerojatnost stvaranja leda u stanici.

Koriste se zajedno iz razloga koji se pokazuje ključnim. Budući da nepenetrirajuća sredstva štite međustanični prostor, penetrirajuća sredstva mogu se primijeniti u nižim koncentracijama. Koncentracija je pritom ključan problem.

Ključni kompromis: sprječavanje leda i toksičnost

U središtu krioprotekcije nalazi se temeljni kompromis. Da bi vitrifikacija bila pouzdana, velik dio vode u tijelu treba zamijeniti krioprotektantom. Ali što je koncentracija veća, sredstvo postaje toksičnije za tkivo. Preslabo doziranje dovodi do stvaranja leda, prejako do kemijskog oštećenja. Cilj je pronaći usku ravnotežu između premale i prevelike koncentracije.

Dvije činjenice tu ravnotežu čine mogućom. Prvo, toksičnost snažno ovisi o temperaturi: tvar koja bi pri višoj temperaturi oštetila tkivo, pri nižoj temperaturi djeluje znatno manje štetno. Zato se krioprotektanti unose postupno, u sve višoj koncentraciji, dok se tijelo istovremeno hladi, čime se toksičnost u svakom koraku održava niskom. Drugo, odgovarajuće kombinacije sredstava mogu biti manje toksične od pojedinačnih sredstava primijenjenih u istoj učinkovitoj koncentraciji. Pronalaženje odgovarajućeg omjera i dalje je važno istraživačko pitanje, a njegovo poboljšanje može pridonijeti kvaliteti budućeg oživljavanja.

Rješenja se neprestano poboljšavaju

Krioprotektant koji se danas koristi nije jedna kemikalija, nego pažljivo usklađena smjesa, proizvod desetljeća usavršavanja. Kriobiolog Greg Fahy razvijao je vitrifikacijske otopine kroz više generacija, pri čemu je svaka nova formulacija nastojala ukloniti nedostatke prethodne. Rane smjese s jednim sredstvom ustupile su mjesto kombinacijama DMSO-a s amidima i propilen-glikolom. Etilen-glikol je zatim zamijenio toksičnije sastojke. Potom su uvedene molekule koje smanjuju stvaranje leda i omogućuju suzbijanje kristalizacije pri nižim koncentracijama. Posljednji korak bio je prilagodba omjera nepenetrirajućih sastojaka radi smanjenja oštećenja uzrokovanih hlađenjem. Sredstva koja se danas primjenjuju u postupcima krioprezervacije ljudi rezultat su tog niza razvoja. Tomorrow.bio i Cryonics Institute koriste optimiziranu verziju otopine nazvane VM1, sastavljene od približno jednakih udjela dimetil sulfoksida i etilen-glikola. Drugi pružatelji koriste vlastite, patentirane formulacije. Ta dva pristupa razlikuju se po cijeni i količini dostupne dokumentacije: primjena otopine VM1 po slučaju je znatno jeftinija. Istraživači koriste i prediktivnu mjeru toksičnosti qv*, koja pomaže u razvoju smjesa za pouzdanu vitrifikaciju uz što manje oštećenja. Krioprotektant nije jedna nepromjenjiva tvar, nego dio formulacije koja se stalno razvija. Svako poboljšanje može povećati stupanj očuvanosti tkiva, temelj unapređenja ovog područja.

Otvoreni problem koji se ne skriva

Postoji još jedna iskrena poteškoća. Pri kriogenim temperaturama krioprotektanti uopće nisu toksični, jer ništa ne reagira; sve je zaustavljeno. Toksičnost je problem koji se javlja tek pri zagrijavanju. Tijekom zagrijavanja krioprotektante bi trebalo brzo i učinkovito ukloniti kako bi se smanjilo oštećenje tkiva. Kako to izvesti bez dodatnog oštećenja, pitanje je za buduću medicinu koja bi mogla provoditi oživljavanje. Danas za taj problem ne postoji primjenjivo rješenje. To izravno kažemo, jer oživljavanje trenutačno nije moguće, a pretvarati se da jest bilo bi neiskreno. Cijeli pristup temelji se na pretpostavci da bi civilizacija sposobna ukloniti izvorni uzrok smrti mogla ovladati i kontroliranim zagrijavanjem te obnovom očuvane strukture.

Upravo je ravnoteža između sprječavanja stvaranja leda i smanjenja toksičnosti u središtu velikog dijela istraživanja u Tomorrow.bio i drugdje. Svako poboljšanje smjese može izravno povećati stupanj očuvanosti strukture osobe pri hlađenju do -196 °C.

Preporučeno štivo

• Zamrzavanje i vitrifikacija: razlika
• Što je ishemija i kako utječe na krioprezervaciju?
• Tehnički izazovi za visokokvalitetno očuvanje
• Pojmovnik za početnike