Omvitrifikation är målet, att föra in en kropp i ett stabilt glasliknande tillstånd istället för att låta den skadas av is, så är kryoprotektanterna det knep som gör det fysiskt möjligt. De är, nästan bokstavligen, medicinsk kylarvätska. Och precis som många av de viktigaste verktygen inom det här området kommer de med en skarp avvägning. Hela proceduren är utformad kring den. Det som skyddar vävnaden från is är också giftigt för den vid fel dos. Att förstå kryoprotektanter innebär att förstå hur den här spänningen hanteras.
Varför isen måste stoppas, med alla medel
Börja med fienden. När vatten fryser inuti en kropp orsakar det två typer av skador samtidigt. Den första är mekanisk: när iskristaller växer krossar de cellerna runt sig till allt smalare kanaler av ofruset vätska, vilket deformerar de fina strukturerna inuti. Den andra är kemisk: när rent vatten fryser ut, pressas allt som var löst i det ihop i den krympande vätska som återstår, vilket koncentrerar salter och lösta ämnen tills den fickan av vätska blir giftig. Bara den ena skulle vara dålig. Tillsammans gör de vanlig frysning till ett tillförlitligt sätt att förstöra de exakta strukturerna somkodar vem du är.
Kryoprotektanter finns för att se till att is aldrig bildas från början. Istället för att frysa, övergår vävnaden till det glasartade, vitrifierade tillståndet, och strukturen bevaras så gott som perfusionen tillåter.
Vad kryoprotektanter egentligen är
Ett kryoprotektivt medel beter sig mycket som den kylarvätska du häller i en bils kylare: det löser sig i vatten och sänker den temperatur vid vilken det vattnet annars skulle kristalliseras. De medicinska varianterna som används inom kryonik, sådant som glycerol, etylenglykol, propylenglykol och dimetylsulfoxid (DMSO), väljs och blandas för just det här jobbet. De delas in i två grupper som samarbetar:
- Penetrerande medel tränger igenom cellmembranet och förhindrar att is bildasinuti cellen.
- Icke-penetrerande medel stannar utanför cellen och förhindrar att is bildas i utrymmenamellan cellerna, där det tenderar att uppstå först. Penetrerande medel tränger igenom cellmembranet och ersätter mycket av vattnet inuti, vilket förhindrar att is bildas inuti cellen själv.
De används tillsammans av en anledning som visar sig vara avgörande. Eftersom de icke-penetrerande medlen hanterar de lättare, mer isbenägna utrymmena utanför cellerna, behöver de penetrerande medlen inte pressas till så höga koncentrationer inuti dem. Och koncentration, som vi strax ska se, är hela problemet.
Den giftiga avvägningen, som är den verkliga historien
Här är den spänning som definierar hela området kryoprotektion. För att vitrifiera pålitligt måste du ersätta en stor del av kroppens vatten med kryoprotektant. Men ju högre koncentrationen är, desto mer giftig blir substansen för vävnaden. Använd för lite så får du is. Använd för mycket så får du kemisk skada. Konsten är att hitta balansen mellan dem.
Två fakta gör att balansen går att hitta. För det första beror giftigheten kraftigt på temperaturen: en substans som skulle skada vävnaden när den är varm är mycket mildare när den är kall. Därför introduceras kryoprotektanterna gradvis, med ökande koncentration, samtidigt som kroppen kyls ner, vilket håller giftigheten låg i varje steg. För det andra kan rättkombinationer av ämnen sänka den totala giftigheten i blandningen under vad vilket enskilt ämne i full styrka skulle orsaka. Att få till den rätta blandningen är ett aktivt forskningsproblem, och att förbättra den är en av de konkreta hävstängerna förframtida återupplivningskvalitet.
Lösningarna blir hela tiden bättre
Kryoprotektanten som används idag är inte en kemikalie utan en noggrant inställd cocktail, och den är resultatet av årtionden av iteration. Kryobiologen Greg Fahy byggde sina vitrifieringslösningar i generationer. Varje ny generation åtgärdade en brist i den förra. Tidiga blandningar med enskilda ämnen ersattes av blandningar av DMSO med amider och propylenglykol. Etylenglykol ersatte sedan de mer giftiga komponenterna. Molekyler som blockerar is kom sedan, vilket undertryckte kristallisering vid lägre koncentrationer. Det sista steget justerade balansen av de icke-penetrerande komponenterna för att motverka köldskador. De nuvarande lösningarna för mänskligt bruk ligger i slutet av den kedjan. Tomorrow.bio och Cryonics Institute använder en optimerad version av en lösning som heter VM1. Den består av ungefär lika delar dimetylsulfoxid och etylenglykol. Andra aktörer använder egna proprietära formuleringar. De två representerar olika avvägningar mellan kostnad och dokumentation. VM1 är mycket billigare per fall. Forskare har till och med ett prediktivt mått på giftighet, skrivet qv*, som hjälper till att designa blandningar som vitrifierar pålitligt samtidigt som de gör så lite skada som möjligt. Poängen är att "kryoprotektanten" inte är en fast sak utan en rörlig front, och varje förbättring höjer direkt bevarandets trohet, temat förfältets framsteg.
Det öppna problemet ingen döljer
Det finns en ytterligare ärlig komplikation. Vid kryogena temperaturer är kryoprotektanter inte giftiga alls, eftersom ingenting reagerar; allt är avstängt. Giftigheten är ett problem viduppvärmning. På vägen uppåt måste ämnena avlägsnas snabbt och rent för att undvika att skada vävnaden. Att göra det väl är ett problem för den framtida medicinen som skulle hantera återupplivning. Det är inget som går att lösa idag. Vi säger det rakt ut, eftersomåterupplivning för närvarande inte är möjlig och att låtsas annars vore oärligt. Vettet säger att en civilisation som kan reparera den ursprungliga dödsorsaken också kan hantera kontrollerad uppvärmning, och att den bevarade strukturen ger den något värt att arbeta med.
Den balansakten, mer frostskyddsmedel mot mindre giftighet, är precis där mycket av den pågående forskningen vid Tomorrow.bio och andra ställen fokuserar. Varje förbättring av blandningen är en direkt förbättring av hur troget en persons struktur överlever resan till-196°C.
TL;DR: Kryoprotektanter minskar isbildning och möjliggör vitrifikation. De kan också orsaka toxicitet och osmotisk stress, så koncentration, temperatur och tillförsel måste kontrolleras noga.
Utforska det här praktiska verktyget
Använd det interaktiva verktyget för att undersöka frågan i den här artikeln.
Laddar det interaktiva verktyget...
Vidare läsning