Jeśliwitryfikacja jest celem, sprowadzenie ciała do stabilnego, szklistego stanu zamiast niszczącego lodu, wówczas krioprotektanty są trikiem, który czyni to fizycznie możliwym. Są one, niemal dosłownie, medycznym środkiem przeciw zamarzaniu. I podobnie jak wiele najważniejszych narzędzi w tej dziedzinie, wiążą się z ostrą wymianą kompromisów. Cała procedura jest zaprojektowana wokół niej. Substancja, która chroni tkankę przed lodem, jest także toksyczna dla niej przy niewłaściwej dawce. Zrozumienie krioprotektantów oznacza zrozumienie, jak zarządza się tą napiętą równowagą.
Dlaczego lód musi zostać powstrzymany za wszelką cenę
Zacznijmy od wroga. Gdy woda zamarza wewnątrz ciała, powoduje jednocześnie dwa rodzaje uszkodzeń. Pierwszym jest uszkodzenie mechaniczne: rosnące kryształy lodu miażdżą komórki wokół siebie, tworząc zwężające się kanały płynu niezamarzniętego, deformując delikatne struktury wewnętrzne. Drugim jest uszkodzenie chemiczne: gdy czysta woda zamarza, wszystko, co w niej rozpuszczone, zostaje ściśnięte w kurczącym się płynie, który pozostaje, koncentrując sole i substancje rozpuszczone, aż ten fragment płynu staje się trujący. Każde z nich samo w sobie byłoby złe. Razem sprawiają, że zwykłe zamarzanie jest niezawodnym sposobem zniszczenia dokładnych struktur, którezakodowały to, kim pan/pani jest.
Krioprotektanty istnieją po to, aby upewnić się, że lód nigdy nie powstanie. Zamiast zamarzać, tkanka przechodzi w szklisty, zeszklony stan, a struktura jest utrzymywana tak dobrze, jak pozwala na to perfuzja.
Czym właściwie są krioprotektanty
Środek ochrony kriogenicznej zachowuje się podobnie do płynu przeciw zamarzaniu, który wlewa się do chłodnicy samochodowej: rozpuszcza się w wodzie i obniża temperaturę, w której ta woda w przeciwnym razie uległaby krystalizacji. Medyczne wersje stosowane w krionice, takie jak glicerol, glikol etylenowy, glikol propylenowy i dimetylosulfotlenek (DMSO), są dobierane i mieszane właśnie w tym celu. Dzielą się one na dwie grupy, które współpracują ze sobą:
- Środki penetrująceprzekraczają błonę komórkową i zapobiegają tworzeniu się loduwewnątrz komórki.
- Środki nienakłuwającepozostają na zewnątrz komórki i zapobiegają tworzeniu się lodu w przestrzeniachmiędzy komórkami, gdzie pojawia się on najczęściej. Środki penetrujące przekraczają błonę komórkową i zastępują znaczną część wody wewnątrz, zapobiegając tworzeniu się lodu wewnątrz samej komórki.
Stosuje się je razem z powodu centralnego znaczenia tej decyzji. Ponieważ środki nienakłuwające radzą sobie z łatwiejszą, bardziej podatną na lód przestrzenią na zewnątrz komórek, środki penetrujące nie muszą być wprowadzane w tak wysokich stężeniach wewnątrz nich. A stężenie, jak wkrótce zobaczymy, jest całym problemem.
Panie i Panowie, kompromis toksyczności, który stanowi prawdziwą historię
Oto napięcie, które definiuje całą dziedzinę krioprotekcji. Aby niezawodnie zeszklenie było możliwe, należy zastąpić znaczną część wody w organizmie krioprotektantem. Im wyższe stężenie, tym bardziej toksyczny środek staje się dla tkanki. Użycie zbyt małej ilości prowadzi do powstania lodu. Użycie zbyt dużej powoduje uszkodzenia chemiczne. Sztuką jest precyzyjne balansowanie między tymi dwoma zagrożeniami.
Dwa fakty czynią to balansowanie możliwym. Po pierwsze, toksyczność zależy w znacznym stopniu od temperatury: środek, który uszkodziłby tkankę w temperaturze pokojowej, jest znacznie łagodniejszy, gdy jest zimny. Dlatego krioprotektanty wprowadza się stopniowo, zwiększając ich stężenie, równocześnie schładzając organizm, utrzymując toksyczność na niskim poziomie na każdym etapie. Po drugie, odpowiedniekombinacje środków mogą obniżyć całkowitą toksyczność mieszaniny poniżej poziomu, jaki spowodowałby każdy pojedynczy środek w pełnym stężeniu. Ustalenie właściwej proporcji jest aktywnym problemem badawczym, a jego udoskonalenie stanowi jeden z konkretnych sposobów wpływania najakość przyszłego przywrócenia do życia.
Same roztwory stale ulegają udoskonaleniu
Obecnie stosowany krioprotektant nie jest pojedynczym związkiem chemicznym, lecz starannie dobranym koktajlem, który jest efektem dziesięcioleci iteracji. Kriobiolog Greg Fahy opracowywał swoje roztwory do zeszklenia w generacjach. Każda następna generacja usuwała wady poprzedniej. Wczesne mieszaniny oparte na pojedynczych środkach ustąpiły miejsca połączeniom DMSO z amidami i glikolem propylenowym. Następnie glikol etylenowy zastąpił bardziej toksyczne składniki. Kolejnym krokiem było wprowadzenie cząsteczek blokujących lód, które hamują krystalizację przy niższym stężeniu. Ostatni etap polegał na dostosowaniu proporcji składników nieprzenikających, aby przeciwdziałać uszkodzeniom spowodowanym wychłodzeniem. Obecnie stosowane środki do użytku u ludzi stanowią finał tego procesu. Tomorrow.bio oraz Cryonics Institute używają zoptymalizowanej wersji roztworu o nazwie VM1. Składa się on w przybliżeniu z równych części dimetylosulfotlenku i glikolu etylenowego. Inni dostawcy stosują własne, chronione tajemnicą receptury. Obie metody reprezentują różne kompromisy między kosztami a dokumentacją. VM1 jest znacznie tańszy w przeliczeniu na jeden przypadek. Naukowcy dysponują nawet przewidywalnym wskaźnikiem toksyczności, oznaczonym jako qv*, który pomaga projektować mieszaniny zapewniające niezawodne zeszklenie przy minimalnym uszkodzeniu. Istotą sprawy jest to, że „krioprotektant” nie jest stałą substancją, lecz dynamicznym frontem badawczym, a każda poprawa bezpośrednio podnosi wierność zachowania struktur, co stanowi motyw przewodnirozwoju dziedziny.
Otwarty problem, którego nikt nie ukrywa
Jest jeszcze jedna szczera kwestia. W temperaturach kriogenicznych krioprotektanty w ogóle nie są toksyczne, ponieważ nic nie reaguje; wszystko jest zatrzymane. Problemem jestponowne ogrzewanie. Podczas powrotu do wyższej temperatury środki te musiałyby zostać szybko i dokładnie usunięte, aby uniknąć uszkodzenia tkanki. Zrobienie tego w odpowiedni sposób jest problemem dla przyszłej medycyny zajmującej się przywróceniem do życia. Nie jest to coś, co można rozwiązać obecnie. Mówimy o tym otwarcie, ponieważprzywrócenie do życia nie jest obecnie możliwe i udawanie inaczej byłoby nieuczciwe. Stawiamy na to, że cywilizacja zdolna do naprawienia pierwotnej przyczyny śmierci będzie również w stanie przeprowadzić kontrolowane ogrzewanie, a zachowana struktura da jej coś, co warto odtworzyć.
Owocem tego balansu, więcej środka przeciw zamarzaniu versus mniej toksyczności, jest dokładnie to, czym zajmuje się obecnie wiele badań prowadzonych przez Tomorrow.bio i innych. Każda poprawa w składzie mieszaniny bezpośrednio wpływa na to, jak wiernie struktura danej osoby przetrwa podróż do-196°C.
TL;DR: Krioprotektanty zmniejszają tworzenie się lodu i umożliwiają witryfikację. Mogą jednak powodować toksyczność oraz stres osmotyczny, dlatego stężenie, temperatura i sposób podania muszą być starannie kontrolowane.
Narzędzie praktyczne w szczegółach
Interaktywne narzędzie pomaga zbadać pytanie poruszone w tym artykule.
Ładowanie interaktywnego narzędzia...
Dalsza lektura