Nach der kryoprotektiven Perfusion wird ein Patient nicht einfach in flüssigen Stickstoff gelegt.
Der Patient durchläuft ein computergesteuertes Temperaturprogramm, das mehrere Tage dauert. Sensoren im Körper des Patienten zeigen, ob verschiedene anatomische Regionen gleichmäßig abkühlen oder gefährliche Temperaturgradienten entstehen.
Im Verlauf der Abkühlung ändern sich die technischen Anforderungen. Zu Beginn soll die Kühlung die Eisbildung begrenzen. Nahe und unterhalb des Glasübergangs sind eine präzise Temperaturregelung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung wichtiger als eine rasche Abkühlung.
Warum kontrollierte Kühlung notwendig ist
Kryoprotektiva senken die Kühlrate, die nötig ist, um Eisbildung zu vermeiden. Sie ermöglichen es wasserreichem Gewebe, in einen hochviskosen, glasartigen Zustand überzugehen, ohne dass sich darin in größerem Umfang Eiskristalle bilden.
Die Glasübergangstemperatur Tg hängt von der verwendeten Lösung, ihrer Konzentration und der Messmethode ab. Der Glasübergang erfolgt über einen Temperaturbereich; einen allgemein gültigen biologischen Schwellenwert gibt es dafür nicht.
Bei Lösungen, die für die Kryokonservierung des Menschen infrage kommen, liegt dieser Bereich meist zwischen −120 °C und −135 °C.
Oberhalb dieses Bereichs kann zu langsames Kühlen Eiskeimbildung und Eiswachstum ermöglichen. Darunter verhält sich das Material zunehmend wie ein spröder Festkörper.
Kühlt die Oberfläche deutlich schneller als das Zentrum, ziehen sich verschiedene Regionen unterschiedlich stark zusammen. Die entstehende thermomechanische Spannung kann Risse verursachen.
Die Abkühlung muss daher sorgfältig abgestimmt werden: Vor der Vitrifikation muss sie ausreichend rasch erfolgen; beim Übergang des Gewebes in den glasartigen Zustand und danach müssen Temperaturgradienten und Kühlrate kontrolliert werden.
Siehe den Unterschied zwischen Einfrieren und Vitrifikation für das zugrunde liegende Phasenverhalten.
Die Kühlbox der ersten Generation
Mit dem System der ersten Generation, der sogenannten V1-Kühlbox, schuf Tomorrow.bio die technische Grundlage für die kontrollierte Ganzkörperkühlung.
Der Patient wird in eine speziell wärmegedämmte Kammer gelegt. Ein Computer regelt die Temperatur in der Kammer, während Thermoelemente an mehreren Stellen die Temperatur messen.
Die Steuerung folgt einer vorgegebenen Temperaturkurve, statt die Anlage durchgehend mit maximaler Kühlleistung zu betreiben. Die Messwerte jedes Sensors werden aufgezeichnet, um den Temperaturverlauf im Körper des Patienten zu dokumentieren.
Das unterscheidet sich schon grundlegend vom direkten Eintauchen. Je nach gemessenem Temperaturverlauf im Körper kann die Anlage die Abkühlung verlangsamen, die Kammertemperatur konstant halten oder sie anpassen.
Das System der zweiten Generation mit Dewargefäß
Beim System der zweiten Generation von Tomorrow.bio erfolgt die kontrollierte Abkühlung in einem eigens dafür gebauten Dewargefäß.
Der Patient bleibt im Dewargefäß; in dessen speziellem Deckel sind Kühltechnik, Computersteuerung, Ventile, Sensoranschlüsse und Durchführungen für Thermoelemente untergebracht.
Thermoelemente sind an mehreren Stellen im Körper des Patienten platziert. Zusätzliche Sensoren überwachen die Temperatur im Dewargefäß.
Das System erfasst damit neben der eingestellten Solltemperatur auch die tatsächlichen Temperaturen im Körper. Es zeichnet auf, wie rasch sich die Temperatur an den einzelnen Messstellen im Körper verändert.
Der Computer regelt den Temperaturgradienten und die Abkühlrate im Dewargefäß so, dass die gemessenen Werte innerhalb der im Protokoll festgelegten Grenzen bleiben.
In einem großen Körper lässt sich beim Abkühlen nicht überall dieselbe Temperatur aufrechterhalten. Ziel ist es daher, die Temperaturunterschiede möglichst gering zu halten und zu verhindern, dass einzelne überwachte Körperregionen gefährlich rascher oder langsamer abkühlen als die übrigen.
Die Bauform des Dewargefäßes verringert zudem die nötigen Handgriffe beim Übergang von der kontrollierten Abkühlung zur kryogenen Lagerung. Das geschlossene Gefäß kann zugleich für stabile, symmetrisch verteilte Temperaturbedingungen um den Patienten sorgen.
Solltemperatur ist nicht Patiententemperatur
Mithilfe der Steuerung lässt sich die Umgebung rasch abkühlen. Sie kann das Zentrum eines menschlichen Körpers nicht sofort auf diese Temperatur bringen.
Die Wärme muss aus tiefer liegendem Gewebe an die Körperoberfläche abgeführt werden. Geometrie, Körperzusammensetzung, Verteilung der Kryoprotektiva und Sensorposition beeinflussen die beobachtete Verzögerung.
Deshalb reicht ein einzelner Sensor in der Kammer nicht aus. Eine nominelle Umgebungstemperatur von −130 °C bedeutet nicht, dass an jeder Messstelle im Körper bereits −130 °C erreicht sind.
Das Steuerungssystem muss sowohl die absolute Temperatur als auch die Differenz zwischen den Kanälen berücksichtigen. Für die Regelung sind sowohl die am langsamsten und am schnellsten abkühlenden Messstellen als auch die Temperaturunterschiede zwischen allen Messstellen relevant.
Auch die Kalibrierung und Positionierung der Thermoelemente sowie die elektrische Durchgängigkeit ihrer Leitungen spielen eine Rolle. Unplausible Messwerte und Sensorausfälle sollten in der Aufzeichnung gekennzeichnet werden, damit sie bei der Auswertung der Temperaturkurve erkennbar sind.
Das dreistufige Temperaturprogramm von Tomorrow.bio
Das aktuelle Protokoll umfasst drei getrennte Phasen. Die Werte gelten für die verwendete Anlage und das eingesetzte kryoprotektive Verfahren; sie lassen sich nicht auf jedes Vitrifikationssystem übertragen.
1. Rasche Abkühlung auf etwa −130 °C
In der ersten Phase wird der Patient von der Trockeneistemperatur auf etwa −130 °C abgekühlt, und zwar so rasch, dass die gemessenen Temperaturunterschiede innerhalb sicherer Grenzen bleiben.
Eine rasche Abkühlung ist hier entscheidend, weil sich in unzureichend geschützten Geweberegionen noch Eis bilden kann, bevor das Gewebe in den glasartigen Zustand übergeht.
Der Computer steuert die Abkühlung nicht allein nach einem festen Zeitplan. Er überwacht die Thermoelemente und passt die Kühlumgebung um den Patienten entsprechend an.
2. Kontrollierte Wiedererwärmung auf etwa −120 °C
Sobald etwa −130 °C erreicht sind, wird die aktive Kühlung reduziert, sodass sich der Patient ohne aktive Wärmezufuhr wieder auf etwa −120 °C erwärmen kann.
Dies ist eine Temperphase. Nahe Tg sind die Moleküle im kryoprotektiv behandelten Material noch ausreichend beweglich, sodass sich die entstandenen mechanischen Spannungen teilweise abbauen können.
Während der Wiedererwärmung können sich zudem Temperaturunterschiede zwischen wärmeren und kälteren Regionen ausgleichen, bevor das Material beim weiteren Abkühlen zunehmend starr und glasartig wird.
Tempern macht bereits vorhandene biologische Schäden nicht rückgängig. Das Tempern dient dazu, Temperaturgradienten und jene Spannungen zu verringern, die durch unterschiedlich starke Kontraktion entstehen.
3. Abkühlung auf −196 °C mit etwa 1 °C pro Stunde
Ab etwa −120 °C soll der Patient um etwa 1 °C pro Stunde weiter abgekühlt werden, bis er die Temperatur von flüssigem Stickstoff erreicht.
Die Abkühlung um die letzten 76 Grad dauert schon ohne Haltephasen und Anpassungen der Steuerung rund drei Tage.
Um einen großen Körper trotz ungleichmäßiger Temperaturverteilung um 1 °C pro Stunde abzukühlen, muss die Kühlung laufend geregelt werden; eine Zeiteinstellung allein reicht dafür nicht aus.
Die Steuerung muss die Temperatur im Dewargefäß fortlaufend anpassen, damit die Temperaturen an den Messstellen im Körper gleichmäßig sinken und keine übermäßigen Temperaturgradienten entstehen.
Kühlt eine Körperregion langsamer ab, kann eine stärkere Abkühlung der Umgebung dazu führen, dass eine andere Region zu stark abkühlt. Eine präzise Regelung muss daher die Messwerte aller Sensoren berücksichtigen.
Warum die Temperphase wissenschaftlich plausibel ist
Die Forschung zur Vitrifikation großer Proben zeigt zwei Risiken, die unterschiedliche Kühlstrategien erfordern: eine zu langsame Abkühlung oberhalb von Tg und zu hohe mechanische Spannungen nahe und unterhalb von Tg.
Eine Vitrifikationsstudie von 2024 im Maßstab menschlicher Organe nutzte mehrere interne Sonden und kam zu dem Schluss, dass Tempern Gradienten verringert, bevor das Material in die glasartige Phase übergeht.
Dieselbe Studie stellte fest, dass langsames Kühlen unterhalb des Temperbereichs hilft, den erneuten Aufbau großer Gradienten und Spannungen zu vermeiden.
Eine separate thermomechanische Untersuchung ergab, dass Tempern nahe Tg die verbleibenden mechanischen Spannungen deutlich verändert und diese dadurch weniger stark von der vorangegangenen Kühlrate abhängen.
Diese Studien stützen die zugrunde liegende Steuerungsstrategie. Eine unabhängige Bestätigung jedes einzelnen Sollwerts im Ganzkörperprotokoll von Tomorrow.bio liefern sie jedoch nicht.
Ein ganzer menschlicher Körper ist größer und in seinem Aufbau komplexer als einzelne Organe oder die im Labor untersuchten Lösungsproben. Temperaturmessungen im Körper und bildgebende Untersuchungen nach der Abkühlung bleiben daher notwendig.
Was der Computer aufzeichnet
Die Meldung „Abkühlung abgeschlossen“ allein sagt wenig über den Verlauf der Abkühlung aus. Aussagekräftig sind die vollständigen Temperaturverläufe aller Messstellen.
Die Aufzeichnung sollte Abkühlraten, Haltephasen, Wiedererwärmungen, Temperaturgradienten zwischen den Messstellen, Eingriffe der Steuerung, Alarme und sämtliche Abweichungen von der vorgegebenen Temperaturkurve dokumentieren.
Diese Daten fließen in die Qualitätsbewertung der Kryokonservierung ein.
Nach der Abkühlung lässt sich mit einer standardisierten CT-Aufnahme bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff die Verteilung der Kryoprotektiva beurteilen; zudem können Eis, größere Verformungen und Risse sichtbar werden, die aus den Temperaturdaten allein nicht hervorgehen.
Warum die Abkühlung bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff endet
Laut dem NIST Chemistry WebBook siedet Stickstoff bei normalem atmosphärischem Druck bei etwa 77,34 Kelvin, also rund −195,8 °C.NIST Chemistry WebBook.
Die Lagerung in flüssigem Stickstoff ist passiv. Solange genügend Flüssigkeit im Behälter verbleibt, hält das Siedegleichgewicht eine stabile kryogene Umgebung ohne mechanische Kühlung aufrecht.
Die kontrollierte Abkühlung endet erst, wenn die Temperaturen im Körper des Patienten eine sichere Überführung in die Lagerung erlauben. Die Lagerung ersetzt die Abkühlung nicht.
Wie die anschließende Lagerung technisch umgesetzt wird und welche Vorzüge und Nachteile die Verfahren haben, erläutern die Beiträge zu modernen kryogenen Dewargefäßen und zur Zwischentemperaturlagerung.
Kurz gesagt: Tomorrow.bio nutzt computergesteuerte Kühlung und interne Temperatursensoren. Zunächst wird der Patient rasch bis nahe an den Glasübergang abgekühlt; anschließend werden thermische Spannungen abgebaut, bevor die Temperatur langsam weiter auf −196 °C gesenkt wird.
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