• Sunday April 21,2019

Die Biologie von. . . Kryotechnik

Wenn Holzfrösche einfrieren, ziehen sie ihre Beine ein und stecken ihre Ziffern unter ihren Körper. Diese Position verhindert, dass sie im Winter austrocknen.

Mit freundlicher Genehmigung von JM Storey / Carleton University

Mit freundlicher Genehmigung von JM Storey / Carleton University

Für Ken und Janet Storey ist der interessanteste Frosch einer, der sich nicht bewegt oder atmet und keinen Herzschlag oder Gehirnaktivität hat. Im Biochemielabor von Storeys an der Carleton University in Ottawa wird das typische Studienfach in einen industriellen Gefrierschrank geworfen. Sie nennen sie Froschikel, obwohl sie innen teilweise flüssig sind. "Im Grunde verwandelt sich der Körper in eine sirupartige Masse", sagt Ken Storey. Für den Frosch ist das nichts Ungewöhnliches. Wie eine Handvoll anderer Kreaturen ist der gemeine Holzfrosch Rana sylvatica ein biologisches Rätsel. Es verbringt seine Winter im subzero Schlaf, seine Gewebe sind stahlhart und erwecken sich im Frühling wieder, um sich auf den Weg zu machen. Es ist der Rip van Winkle der Tierwelt.

Die Storeys haben seit über 20 Jahren die genetischen Schalter und biochemischen Prozesse identifiziert, die diese Reanimation ermöglichen. Ihre Arbeit wurde von Biologen auf dem Gebiet der Organtransplantation eifrig verfolgt: Wenn das Herz oder die Niere eines Spenders gefroren und ohne Schaden gelagert werden könnten, könnten Ärzte die Anzahl der von ihnen durchgeführten Transplantationen drastisch erhöhen. Die Tatsache, dass ein Waldfrosch beinahe von den Toten zurückkehren kann, hat auch die futuristischen Phantasien geschärft, die von kommerziellen Kryoniklabors ausgehen, in denen menschliche Leichen auf Eis gehalten werden.

Warmblütige Tiere sind so konzipiert, dass sie bei einer nahezu konstanten Temperatur bleiben - 98, 6 Grad Fahrenheit im Falle von Menschen. Wenn sie kalt werden, beschleunigt sich ihr Stoffwechsel und es entsteht innere Wärme. Sobald dieses System zusammenbricht und die Tiere festfrieren, reißt das Eis ihr Inneres auf: Das Wasser in ihren Zellen dehnt sich aus, wenn es gefriert, Membrane zerreißt und Organellen verdrängt.

Holzfrösche und ein paar andere Tiere, wie zum Beispiel Ringschildkröten, tun genau das Gegenteil. Wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, kommt der Stoffwechsel des Frosches fast zum Erliegen, so dass seine Zellen mit vernachlässigbaren Mengen an Sauerstoff und Energie überleben können. In der Zwischenzeit fängt die Leber an, Glukose herauszupumpen, wodurch die Konzentrationen im Blutstrom auf das 50-fache der Konzentration eines menschlichen Diabetikers erhöht werden. Eis, das in den Körperhöhlen des Frosches kristallisiert, zieht etwas Wasser aus den Zellen des Fleisches und der Organe. Dadurch wird die Glukose im Inneren der Zellen weiter konzentriert und in ein Frostschutzmittel umgewandelt, das verhindert, dass das restliche Wasser erstarrt. (Kommerzielles Frostschutzmittel besteht aus einem Zuckeralkohol, der Glukose ähnlich ist und als Ethylenglykol bezeichnet wird.) Mit dem Frostschutzmittel in seinen Zellen kann ein Frosch bis zum Frühjahr in einem torpiden Zustand bleiben, wenn sein Stoffwechsel wieder zum Leben erweckt wird. "Es geht für ein paar Monate hirntot aus, dann hat er wieder kleine Froggy-Gedanken", sagt Ken.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Holzfroschleberzellen zeigen, wie sie Temperaturen unter dem Gefrierpunkt standhalten. Dieses Bild zeigt eine Zelle, die aus einem Frosch genommen wurde, der zu Lebzeiten bei einer Temperatur von 25 Grad F eingefroren wurde. Taschen mit Wasser (w) bleiben in der Zelle, aber hohe Glukosekonzentrationen verhindern, dass sie unter normalen Winterbedingungen zu Eis werden.

Mit freundlicher Genehmigung von Dr. B. Rubinsky / Universität von Kalifornien in Berkeley

Dieses Bild zeigt den Schaden, den Eiskristalle anrichten können. Diese Leberzelle, die einem gefrorenen Holzfrosch entnommen wurde, wurde auf -4 Grad F abgekühlt - zu kalt für Glukose, um sie zu schützen. Die Zelle ist weniger geschrumpft als eine auf diese Temperatur erstarrte Zelle ohne Gefrierschutzmittel, könnte jedoch den Auftauvorgang nicht überleben.

Mit freundlicher Genehmigung von Dr. B. Rubinsky / Universität von Kalifornien in Berkeley

Null Toleranz
Die Fähigkeit von Holzfröschen, zu frieren und aufzutauen, hat sich wahrscheinlich während einer Eiszeit vor etwa 15.000 Jahren entwickelt, sagen die Storeys. Die Zellen in der feuchten, zarten Haut des Frosches wurden bereits optimiert, um eine Austrocknung zu verhindern. Die eiszeitlichen Bedingungen haben den Prozess gerade um eine Stufe gesteigert. Normalerweise lösen hohe Blutzuckerwerte einen als Glykation bezeichneten Prozess aus, bei dem Glukosemoleküle unter anderem an die Strukturproteine ​​des Körpers binden und Zellschäden verursachen. Nicht so bei Holzfröschen. Die Storeys haben kürzlich ein Gen isoliert, das die Glykation kurzschließt. Andere DNA-Tests haben es ihnen ermöglicht, Gene zu identifizieren, die Stoffwechselprozesse abschalten, das Zellvolumen während des Gefrierens kontrollieren und den Schaden begrenzen, den Sauerstoff den Zellen zufügen kann, wenn sie im Frühjahr wieder in sie eindringen.

Als die Storeys die Leber gefrorener Holzfrösche mit denen von Kontrollfröschen im Normalzustand verglichen, fanden sie ungewöhnlich hohe Mengen an Boten-RNA-Molekülen, die für Fibrinogen, ein gerinnselverstärkendes Protein, kodieren. Einmal durch ein Enzym im Blutkreislauf aktiviert, binden sich Fibrinogen-Fragmente zu einem stabilen Gitter, wodurch alle Lecks, die sich in den Gefäßwänden gebildet haben, durch den Stress des Einfrier-Auftau-Zyklus abgedichtet werden.

Boris Rubinsky, Ingenieur an der University of California in Berkeley, hat mit einer Reihe von Wissenschaftlern zusammengearbeitet, um die Erkenntnisse der Storeys auf andere Tiere einschließlich des Menschen anzuwenden. 1999 setzten Rubinsky und seine Kollegen eine computergesteuerte Pumpe ein, um Rattenlebern einen Cocktail aus tiefkalten Chemikalien zuzuführen. Er erstarrte die Leber für ungefähr zwei Stunden bei 29, 3 Grad Fahrenheit, taute dann auf und transplantierte sie in andere Ratten. Von den neun Transplantaten überlebten acht nach Erhalt der Spenderorgane mehrere Stunden, und eine überlebte fünf Tage, was darauf schließen lässt, dass die Leber zumindest teilweise funktionierte. Seit diesem Meilenstein-Prozess haben Rubinsky und seine Forscher am Sheba Medical Center in Tel Hashomer, Israel, ähnliche Gefriertechniken auf gefrorene Rattenherzen angewendet. In einem Experiment von 2003 blieben die Herzen nach dem Auftauen und Transplantieren für mehr als eine Stunde lebensfähig und pumpten.

Kryokonservierungsorgane könnten eines Tages die Transplantation revolutionieren, aber einige Wissenschaftler haben einen noch größeren Preis im Blick: das Einfrieren ganzer menschlicher Körper. Die Alcor Life Extension Foundation in Scottsdale, Arizona, machte 2002 Neuigkeiten, als sie sich mit einigen Verwandten des Baseballspielers Ted Williams befand. Beamte von Alcor sagen, dass Williams sie bezahlt habe, um seinen Körper nach seinem Tod einzufrieren, aber seine Neffen John und Samuel Williams haben kürzlich Klage gegen das Unternehmen erhoben und behaupteten, dass es keine rechtliche Erlaubnis dafür gab. Alcor hält die Überreste weiter in Erwartung zukünftiger rechtlicher Schritte.

Das Ziel von Alcor, das auf seiner Website bekannt ist, ist es, verstorbene Kunden "in einem Zustand zu halten, der von der zukünftigen Medizin als praktikabel und behandelbar angesehen wird". Die meisten Kryobiologen verhöhnen dies als "Pie-in-the-Sky-Unternehmen". "Sie versuchen, tausend Schritte auf einmal zu machen", sagt Ken Storey. "Die Temperaturen, mit denen sie zu tun haben, sind niedriger als alles in der Natur, so dass es zu umfangreichen Gewebeschäden und zum Austrocknen der Zellen kommt." Doch Alcor hat nie garantiert, dass seine Patienten eine Investition in Höhe von 150.000 USD erzielen werden. "Dies ist ein Experiment - es ist bestenfalls spekulative Wissenschaft", sagt der CEO des Unternehmens, Joe Waynick.

Alcor setzt auf den Vorschlag, fügt Waynick hinzu: "Das Überleben der Struktur bedeutet das Überleben der Person." Die Wissenschaftler des Unternehmens versuchen herauszufinden, wie sie Leichen auf Temperaturen abkühlen können, die einen totalen Stoffwechselstillstand verursachen (etwa -321degrees F). mit minimalen Gewebeschäden, so dass die Körper Tausende von Jahren perfekt intakt bleiben können. Zu diesem Zweck versorgen sie Kunden mit einer firmeneigenen Mischung aus Frostschutzmitteln auf Kohlenhydratbasis, die denen ähneln, die von den Fröschen im Storeys-Labor natürlich produziert werden. Waynick glaubt, dass einige der ersten Patienten, die sich in den 70er und 80er Jahren für die Alcor-Konservierung angemeldet haben, durch einfrieren zu stark beschädigt wurden, um wiederbelebt zu werden, aber aktuelle Techniken verursachen weniger Rissbildung. Die Gewebe werden so vollgefroren, dass sie sich nie vollständig verfestigen. Es bestehen jedoch weiterhin erhebliche Hindernisse, einschließlich der toxischen Auswirkungen von Frostschutzmitteln auf das Gewebe und seiner unvollständigen Verteilung im Körper. "Verschiedene Organe absorbieren das Kryoprotektionsmittel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und einige tun dies nicht so gut wie andere", sagt Waynick.

In den Geschossen gibt es nicht so viele Unterschiede zwischen Institutionen wie Alcor und den meisten organisierten Religionen. „Das Versprechen des ewigen Lebens ist für jeden etwas Anziehendes“, sagt Ken Storey. Trotzdem lassen sie die größeren Ziele der Kryobiologie nicht völlig ab. "Es ist in Jahrzehnten möglich, dass wir Astronauten für lange Missionen und ähnliches einfrieren können", sagt Janet Storey. „Unser Fokus liegt jedoch nicht darauf, wie wir diese Techniken auf Menschen anwenden können. Wir wollen herausfinden, wie die biologischen Systeme funktionieren. Andere Leute können es von dort mitnehmen. “


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