Zašto se krioprezervacija odvija na -196 °C?

Postoji pitanje koje vrijedi shvatiti doslovno: što zapravo pokušavamo postići kada čuvamo osobu? Odgovor nije da je učinimo hladnom. Hladnoća je metoda, nikada cilj. Cilj je što potpunije zaustaviti biološke procese, tako da razlika između jedne i deset tisuća godina više ne bude važna. Gotovo sve ostalo, uključujući preciznu vrijednost navedenu u naslovu, proizlazi iz tog zahtjeva.

Stoga nije najvažnije pitanje zašto je potrebna tolika hladnoća, nego koliko niska temperatura mora biti da bi se kemijski procesi zaustavili. Ta se granica naziva temperatura staklastog prijelaza otopine krioprotektanta i iznosi otprilike -130 °C. Ispod te temperature molekularno je gibanje iznimno ograničeno, metabolizam je zaustavljen, a kemijske reakcije odvijaju se zanemarivo sporo. -196 °C nije ta granica. To je vrelište tekućeg dušika, znatno niže od temperature staklastog prijelaza, a tekući dušik na toj temperaturi ostaje bez aktivnog hlađenja.

Raspadanje je posljedica kemijskih procesa koji još traju

Kad kažemo da se tijelo raspada, govorimo o kemijskim procesima: enzimima koji razgrađuju molekule, kemijskim reakcijama i djelovanju mikroorganizama. Za svaki od tih procesa molekule se moraju gibati i sudarati. Uspori li se gibanje, usporavaju se i kemijski procesi. Ako se gibanje dovoljno uspori, biološki procesi u praktičnom smislu prestaju.

Ovdje vrijedi jedno korisno pravilo. Kao gruba aproksimacija, sniženje temperature za približno 10 °C otprilike prepolovi brzinu tipične reakcije. To možda ne zvuči osobito dramatično dok se učinak takvih sniženja temperature ne promatra kroz velik raspon temperatura. Snižavanje temperature od tjelesne do duboke hladnoće ne usporava raspadanje samo dva ili deset puta, nego višestruko više. Utrka protiv staničnog raspadanja koja počinje u trenutku prestanka rada srca u konačnici je utrka za dovoljno nisku temperaturu, temperaturu na kojoj sama utrka prestaje biti bitna.

Led oštećuje tkivo, dok ga staklasto stanje može očuvati.

Moglo bi se pomisliti da je trik jednostavno smrznuti osobu. Nije tako, a razlog je voda. Voda pri smrzavanju stvara kristale leda koji se šire i mogu oštetiti stanične membrane i druge osjetljive strukture. Kristali nisu jedini problem. Dok se čista voda kristalizira, soli i druge otopljene tvari koncentriraju se u sve manjoj količini preostale tekućine. Stanice koje se nađu u toj sve koncentriranijoj otopini gube vodu i oštećuju se osmotski. Takvo oštećenje može nastati i bez izravnog dodira stanica s kristalima leda. Smrzavanje osobe na način na koji se smrzava odrezak bilo bi učinkovit način da se uništi upravo ono što se pokušava sačuvati.

Način da se to izbjegne naziva se vitrifikacija. Većina tjelesne vode zamjenjuje se krioprotektivnim sredstvima koja djeluju slično antifrizu, a tkivo se hladi dovoljno brzo da se ne stvore kristali leda. Umjesto toga tkivo prelazi u staklasto stanje, odnosno u kruto stanje bez stvaranja kristala leda. Vitrificirano tkivo vrlo je hladno i kruto, ali nije smrznuto na način koji uključuje stvaranje razarajućih kristala leda. Ta razlika predstavlja srž cijele stvari.

Broj koji je zaista bitan iznosi oko -130 °C

Evo dijela koji ljude iznenadi: temperatura koja je zaista presudna nije -196 °C. Riječ je o temperaturi staklastog prijelaza, negdje oko -130 °C, ispod koje vitrificirano stanje postaje stabilno. Iznad nje stakloliko stanje može se polako opuštati, a još gore, može početi rekristalizirati. Rekristalizacija znači naknadno stvaranje kristala leda. Ispod te točke molekularno je gibanje toliko usporeno da struktura jednostavno ostaje postojana.

Ako se staklasto stanje stabilizira već na -130 °C, zašto temperaturu dodatno snižavati do -196 °C? Razlog je isti kao kad kućni zamrzivač ne postavljamo točno na 0 °C: potrebna je sigurnosna rezerva. Ako se tkivo čuva na temperaturi više od 60 stupnjeva ispod staklastog prijelaza, ostaje u sigurnom temperaturnom području, daleko od razine na kojoj bi staklasto stanje moglo omekšati ili bi se led mogao ponovno pojaviti. Time se postiže stabilnost s velikom sigurnosnom rezervom, što je nužno kada je riječ o dugotrajnom čuvanju ljudskog tijela.

Zašto baš -196 °C? Tekući dušik prirodno održava tu temperaturu.

Konkretna vrijednost od -196 °C nije rezultat proizvoljne odluke. To je temperatura na kojoj tekući dušik vrije, a upravo ta činjenica čini je gotovo idealno praktičnom.

Tekućina pri vrelištu održava približno stalnu temperaturu. Dok god u spremniku ima tekućeg dušika, sadržaj se održava na približno -196 °C bez aktivnog hlađenja, unatoč uvjetima u prostoriji. Riječ je o samoregulirajućem termostatu bez pokretnih dijelova, bez kompresora i, što je ključno, bez ikakve ovisnosti o električnoj energiji. Pacijenti i uzorci čuvaju se u vakuumski izoliranim posudama, dewar-posudama, koje znatno usporavaju prodor topline. Jedini redoviti postupak održavanja jest nadopunjavanje dušika koji postupno isparava. Za razliku od mehaničkog zamrzivača, koji prestaje raditi kad nestane struje, sustav s tekućim dušikom ne ovisi o neprekidnom napajanju električnom energijom.

Dušik je uz to jeftin, dostupan u izobilju (čini najveći dio zraka koji upravo udišemo), inertan je i nezapaljiv. Kad bi se tražilo rashladno sredstvo za dugotrajno čuvanje, teško bi se pronašla prikladnija tvar od dušika koji se dobiva iz atmosfere.

Cijena tolike hladnoće

Sustav hlađenja tekućim dušikom nema pokretnih dijelova, no takav pristup ima i svoje nedostatke. Od temperature staklastog prijelaza do -196 °C slijedi još šezdesetšest stupnjeva hlađenja, tijekom kojih se vitrificirani materijal steže. Do tada je već krhak, pa se stezanje ne može opustiti. Time nastaje mehaničko naprezanje, a nakon određenog praga materijal to naprezanje oslobađa pucanjem.

Taj se učinak može ponoviti u laboratorijskim uvjetima. Pucanje vitrificiranih otopina krioprotektanta povezano je s toplinskim stezanjem i temperaturnim gradijentima nastalima pri brzom hlađenju velikog objekta. Otopine s višom temperaturom staklastog prijelaza pucaju rjeđe, jer preostaje manje hlađenja nakon što materijal već postane krut.

Cijelo tijelo predstavlja najzahtjevniji slučaj. Pucanje obično počinje ispod temperature staklastog prijelaza. Ako perfuzija krioprotektantom nije bila uspješna, pucanje može početi već pri -90 °C. Pukotine sežu od onih vidljivih golim okom do mikroskopskih odvajanja. Pukotina razdvaja tkivo duž određene ravnine, a ne nužno na komadiće, no ipak predstavlja oštećenje koje bi buduća tehnologija morala popraviti.

Trenutačno rješenje jest sporo hlađenje. Cijelo hlađenje traje gotovo tjedan dana. Prolazak kroz temperaturu staklastog prijelaza i daljnje hlađenje ispod nje najsporiji su dio postupka, koji se provodi računalno kontroliranom brzinom od otprilike jednog stupnja na sat. Sporije hlađenje znači manje gradijente, a manji gradijenti znače manje naprezanje.

Skladištenje na srednjoj temperaturi

Bolje je rješenje ranije zaustaviti hlađenje. Pri skladištenju na srednjoj temperaturi pacijent se čuva na približno -140 °C umjesto na -196 °C. To je i dalje deset stupnjeva ispod staklastog prijelaza umjesto šezdesetšest, pa su molekularno gibanje i razgradni procesi izrazito ograničeni, uz znatno manje toplinsko stezanje.

Tehničko je rješenje pasivno. Spremnik s tekućim dušikom nalazi se na dnu posude, a pacijent se čuva u hladnoj parnoj fazi iznad njega, čija se temperatura održava na ciljanoj vrijednosti. Sustav nema kompresor i ne ovisi o elektroenergetskoj mreži, jer se temperatura održava svojstvima tekućeg dušika.

Prva posuda za skladištenje na srednjoj temperaturi, dovoljno velika za smještaj čovjeka, stiže u ustanovu European Biostasis Foundation u Švicarskoj u kolovozu 2026. Prvi je zadatak izmjeriti koliko tekućeg dušika ona zapravo troši, jer taj podatak određuje cijenu čuvanja pacijenta tijekom jednog stoljeća. Skladištenje na srednjoj temperaturi neće se ponuditi članovima dok ta cijena ne bude poznata.

Što se pri toj temperaturi očuva

Na -196 °C biološko vrijeme praktički staje. Enzimska aktivnost prestaje, mikroorganizmi ne mogu se razmnožavati, a spontane reakcije koje bi inače razgradile tkivo nemaju ni približno dovoljno energije za odvijanje. Molekularna struktura tijela, osobito mozga, može ostati očuvana.

Ta posljednja činjenica najvažnija je od svega. Biostaza se temelji na pretpostavci da su pamćenje i osobni identitet zapisani u fizičkoj strukturi mozga, odnosno u njegovim vezama i obrascima, kako se objašnjava u tekstu „Pamćenje, identitet i mozak” jest da je ono što nas čini onim što jesmo zapisano u fizičkoj strukturi mozgaPamćenje, identitet i mozak. Ako se ta struktura očuva, očuvana je i informacija koju sadržava, čak i ako još ne postoji tehnologija koja bi je mogla očitati i obnoviti funkciju. Hladnoća nije čarolija. Ona usporava procese dovoljno da se biološka informacija može očuvati do razvoja naprednijih tehnologija.

Ništa od ovoga ne zahtijeva savršen stroj niti neprekidnu opskrbu električnom energijom. Zahtijeva stakloliko stanje umjesto leda i temperaturu koja je udobno ispod staklastog prijelaza. Zahtijeva i tekućinu čije vrelište prirodno održava potrebnu temperaturu. Prednost temperature od -196 °C jest u tome što omogućuje dugotrajno čuvanje osobe bez neprekidnog aktivnog hlađenja.

Preporučeno štivo

• Zašto ne možemo krioprezervirati živu osobu?
• Čuvanje bez smrzavanja
• Zašto oživljavanje trenutačno nije moguće?
• Ključni pojmovnik