Kommen wir durch das Einfrieren dem ewigen Leben näher? Neue Technologie könnte die Haltbarkeit gefrorener Organe verlängern

Bild mit freundlicher Genehmigung von Visual China

Sich auf „Gefriertechnologie“ zu verlassen, durch Tausende von Jahren zu reisen und in der Zukunft aufzuwachen, ist eine gängige Handlung in Science-Fiction-Romanen. Obwohl es noch ein weiter Weg ist, einen ganzen Organismus einzufrieren und wiederzubeleben, hat der technologische Fortschritt beim Einfrieren von Organen für viele Überraschungen gesorgt.

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie zeigte, dass es Forschern der University of Minnesota gelungen ist, Nieren von Ratten langfristig einzufrieren und wieder aufzutauen. Diese gefrorenen Nieren können nach einer Transplantation die volle Nierenfunktion wiederherstellen. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler bestätigt haben, dass Organe von Säugetieren erfolgreich transplantiert werden können und nach dem Einfrieren und Auftauen am Leben erhalten bleiben. Darin werden neue technische Lösungen für das Einfrieren von Organen vorgeschlagen.

Kurze Lagerzeit der Organe

Eine Organtransplantation ist der letzte Tropfen, der das Fass nach einem menschlichen Organversagen zum Überlaufen bringt. Jedes Jahr werden weltweit Hunderttausende Organtransplantationen durchgeführt, wodurch Hunderttausende Leben gerettet werden. In China warten jedes Jahr 300.000 Menschen am Rande von Leben und Tod auf eine Organtransplantation, doch nur mehr als 10.000 von ihnen kann durch eine Organtransplantation ein neues Leben geschenkt werden.

Derzeit kann mein Land Transplantationen an sechs Arten menschlicher Organe durchführen, darunter Leber, Niere, Herz, Lunge, Bauchspeicheldrüse und Dünndarm. Unter ihnen sind die chirurgischen Techniken für Nierentransplantationen und Lebertransplantationen bereits sehr ausgereift. Allerdings erfreut sich die Organtransplantationschirurgie keiner großen Beliebtheit. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Haltbarkeitsdauer der Spenderorgane zu kurz ist.

Die In-vitro-Organkonservierung ist ein notwendiger Schritt in der Organtransplantationschirurgie, und das Einfrieren und Auftauen von Organen sind Schlüsseltechnologien zur Verlängerung der Organkonservierungszeit. Durchbrüche auf diesem Gebiet könnten das derzeitige klinische System der Organtransplantation neu gestalten. sagte Dr. Yeqi Nian, leitender Arzt des Organtransplantationszentrums des ersten angeschlossenen Zentralkrankenhauses der Nankai-Universität und Projektleiter des Forschungsinstituts für Transplantationsmedizin der Nankai-Universität.

Derzeit besteht die traditionelle Technologie zur Organkonservierung in vitro hauptsächlich aus der statischen Kältekonservierung bei niedrigen Temperaturen. Die Haltbarkeitsdauer dieser Konservierungstechnologie ist allerdings etwas kurz. Beispielsweise kann das Herz 4 Stunden, die Leber 12 Stunden und die Nieren etwa 24 Stunden konserviert werden. Verdauungsorgane wie die Bauchspeicheldrüse und der Dünndarm sind schwieriger zu konservieren und haben aufgrund der Anwesenheit von Restbakterien, Verdauungsenzymen und im Gewebe befindlichen Lymphozyten eine kürzere Konservierungszeit.

„Daher handelt es sich bei den derzeitigen Organtransplantationen in der Regel um Notfalloperationen, die die Behandlung der Patienten durch die Ärzte räumlich und zeitlich stark einschränken.“ Nian Yeqi gab ein Beispiel. Um den Patienten eine möglichst frühzeitige Operation zu ermöglichen, werden bei der Suche nach passenden Patienten auch geografische Aspekte berücksichtigt. So wird vermieden, dass die Organkonservierungszeit außerhalb des Körpers durch zeitraubende Reisen verlängert wird, der optimale Operationszeitpunkt verpasst wird oder die Möglichkeit einer Operation verloren geht. Gleichzeitig verkürzt sich die Zeit, die den Ärzten für die Vorbereitung und Untersuchung einer Operation bleibt, und sie können nur noch grundlegende Untersuchungen und Vorbereitungen durchführen. Es besteht das Risiko einer unzureichenden präoperativen Untersuchung und unangemessenen präoperativen Behandlung.

Zu diesem Zweck haben Forscher neue Technologien erforscht, um ex vivo-Organe von der „Kurzzeitkonservierung“ in die „Langzeitkonservierung“ umzuwandeln. „Für Laien ausgedrückt besteht die Technologie der ‚Langzeitkonservierung‘ von ex vivo-Organen im Wesentlichen aus zwei Schritten: ‚Einfrieren‘ und ‚Auftauen‘.“ Nian Yeqi erklärte, dass das Einfrieren und Auftauen von Organen derzeit hauptsächlich aus den Schritten der Organkryogenaufbereitung, Organkryogenperfusion, Organkühlung, kontinuierlichen Organkryokonservierung, Organauftauen und Organspülung besteht. Die am häufigsten verwendete Methode in der Gefriertechnologie ist die sogenannte „Vitrifikation“. Dabei werden hochkonzentrierte Kryoprotektiva und schnellere Gefriergeschwindigkeiten eingesetzt, um die Bildung von Eiskristallen in Organzellen bei extrem niedrigen Temperaturen zu verhindern. Dadurch wird vermieden, dass Eiskristalle Zellen schädigen und letztendlich Organschäden verursachen. Auch beim Aufwärmen muss die Geschwindigkeit kontrolliert werden, damit sich die Organe gleichmäßig erwärmen können.

Durch die Entwicklung neuer Technologien wie der hypothermischen und normothermen mechanischen Perfusion konnte die Ex-vivo-Konservierungszeit von Organen in jüngster Zeit bis zu einem gewissen Grad verlängert werden, was Patienten und Ärzten mehr Zeit verschafft. Allerdings ist die derzeitige Technologie im Allgemeinen darauf beschränkt, die In-vitro-Konservierungszeit von Organen von einigen Stunden auf einige Wochen zu verlängern (Wochen sind auf präklinische Versuche beschränkt), sodass die In-vitro-Konservierung von Organen immer noch im Rahmen der „Kurzzeitkonservierung“ liegt.

Die Kryokonservierung von Organen ist viel schwieriger als die Kryokonservierung von Zellen

In den letzten Jahren sind die Menschen aufgrund der rasanten Entwicklung der medizinischen Forschung und der Anwendung von Gen- und Zelltechnologien sowie entsprechenden Produkten immer häufiger mit Informationen über kryokonservierte Stammzellen, Eizellen, Spermien und Embryonen in Berührung gekommen. Viele Menschen fragen sich unweigerlich: Zellen können bei Bedarf verwendet werden, nachdem sie so viele Jahre lang eingefroren waren, und isolierte Organe bestehen ebenfalls aus Zellen. Warum können Organe also nicht mit derselben Technologie konserviert werden?

Li Xiangguo, Vizepräsident der Tianjin Stem Cell Development and Application Association, stellte vor, dass die aktuelle Technologie zur Kryokonservierung von Stammzellen darin besteht, Zellen in einer Umgebung mit tiefen Temperaturen zu lagern, um den Zellstoffwechsel zu reduzieren und die Zellen in einen Ruhezustand zu versetzen. Mit dieser Technologie lässt sich eine langfristige Lagerung erreichen. Die spezielle Methode besteht darin, die Gradientenkühlungsmethode zu verwenden und die vorbereiteten Zellen nach programmgesteuerter Kühlung zur Langzeitlagerung in einen Flüssigstickstofftank bei -196 °C zu überführen.

„Mit dieser Technologie können verschiedene Zelltypen, einschließlich embryonaler Zellen, konserviert werden.“ Li Xiangguo sagte, dass durch das Einfrieren von Zellen theoretisch eine dauerhafte Lagerung erreicht werden könne. Ärzte und Patienten können problemlos auf kryokonservierte Zellen für Behandlungen, Forschung oder Anwendungen in der regenerativen Medizin zugreifen.

Stammzellen, Embryonen usw. fallen jedoch in die Kategorie des Einfrierens und Auftauens von Zellen. Wenn die Technologie des Einfrierens von Zellen zum Einfrieren von Organen verwendet wird, handelt es sich dabei offensichtlich nicht um einen einfachen quantitativen Veränderungsprozess, und bei der Anwendung auf Gewebe in der Größe ganzer Organe wird es größere Schwierigkeiten geben.

„Erstens können Kryoprotektiva nicht gleichmäßig in größere Gewebe eindringen. Bei größeren Organen verlängert sich auch die Zeit, die deren Kern zum Erstarren benötigt, was zur Bildung von Eiskristallen führt.“ Nian Yeqi führte außerdem aus, dass das zum Einfrieren von Zellen verwendete Kryogen lediglich nicht zytotoxisch sein muss, während bei dem zum Einfrieren von Organen verwendeten Kryogen auch speziell auf dessen Toxizität für die Organe geachtet werden muss. Noch schwieriger ist es, dass jedes Organ aus mehreren Zelltypen besteht, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen haben, und dass dasselbe Kryogen auf verschiedene Zelltypen unterschiedliche toxische Wirkungen haben kann. Unabhängig davon, welcher Zelltyp beschädigt ist, wird die Funktion des Organs beeinträchtigt.

Zweitens ist der Gefrierzustand einzelner Zellen oder winziger Embryonen mit nur etwa 100 Zellen besser zu beurteilen und auch Zellschäden während des Auftauprozesses sind leichter zu beurteilen. Als integrale Gewebestruktur muss das Organ während des Wiedererwärmungsprozesses gleichmäßig erwärmt werden. Durch ungleichmäßiges Erhitzen können zwischen den verschiedenen Gewebestrukturen des Organs Ausdehnungs- oder Kontraktionskräfte entstehen, die zu physischen Schäden am Organ führen.

„Derzeit hat die Vitrifikation das Problem des Einfrierens von Organen nur teilweise gelöst. Probleme wie die Bildung von Eiskristallen während des Einfrierens, die Temperaturkontrolle während des Einfrierens und Auftauens, die Notwendigkeit eines insgesamt gleichmäßigen Auftauens von Geweben und Organen während des Auftauens und Ischämie-Reperfusionsschäden bleiben jedoch weiterhin bestehen“, sagte Nian Yeqi.

Oder wird das klinische Organtransplantationssystem umgestaltet

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie löste das Problem der Wiedererwärmung größerer Organe. Die Forscher entwickelten eine „Nano-Rewarming“-Technologie: Während des Gefriervorgangs werden dem Schutzmittel bei der Durchblutung des Organs Eisenoxid-Nanopartikel zugesetzt. Beim Wiedererwärmen wird das gefrorene Organ in eine Radiofrequenzspule gelegt. Der elektrische Strom erzeugt ein induziertes Magnetfeld, das durch die Eisenpartikel im Organ Wärme erzeugt. Das Schutzmittel wird gleichmäßig über die Kapillaren in das Organ eingebracht. Da das hochfrequente elektrische Feld das Gewebe ohne Abschwächung durchdringt, ist die Heizrate gewährleistet und die Erwärmung erfolgt gleichzeitig gleichmäßig.

„Die ‚Nano-Rewarming‘-Technologie des Forschungsteams der University of Minnesota umfasst auch die Verwendung von Ethylenglykol anstelle von Propylenglykol im ursprünglichen Schutzmittel, um ein neues Kältemittel VMP zu entwickeln, das die Toxizität des Kältemittels reduziert.“ Nian Yeqi führte ein, dass die Studie gezeigt habe, dass 100 Tage lang konservierte Rattennieren nach dem Auftauen noch aktiv bleiben können und dass Ratten, die eine Nierentransplantation erhalten hatten, den 30-tägigen Studienzeitraum erfolgreich überlebten.

Da sich das Problem der Wiedererwärmung nach der „Vitrifizierung“ von Organen nur schwer lösen lässt, haben einige Wissenschaftler begonnen, nach neuen Wegen zu suchen, um diese Schwierigkeiten zu umgehen.

Das Team um Professor Taylor an der Harvard University entwickelte einen synthetischen Zucker zum Schutz der Leber, der auf den Gefrier- und Auftauprinzipien des arktischen Waldfrosches in der Natur basiert, und konservierte die menschliche Leber 27 Stunden lang bei -4 °C. Darüber hinaus kann das Team durch die Kombination des synthetischen Zuckers mit dem biologischen Eiskern Snomax Gewebe fünf Tage lang bei -15 °C lagern, und die Gewebeschäden nach dem Auftauen sind geringer als bei der Kontrollgruppe.

Darüber hinaus arbeiten einige Wissenschaftler am „Gefrierprozess“. So gelang es dem Team der UC Berkeley beispielsweise, Organe bei höherem Druck einzufrieren, ohne Schäden zu verursachen, und so die Bildung von Eiskristallen zu begrenzen. Mit dieser Strategie lagerte das Forschungsteam ein Schweineherz 21 Stunden lang bei -4 °C und transplantierte es dann in ein gesundes Schwein. Das Herz schlug nach der Transplantation gleichmäßig. Darüber hinaus erfordert diese Strategie keine Verwendung großer Mengen an Kryoprotektiva, wodurch toxische Nebenwirkungen auf Organe reduziert werden.

Nian Yeqi sprach über die Auswirkungen der Entwicklung von Organ- und Kryo-Auftautechnologien auf die medizinische Versorgung der Zukunft und sagte, dass dies zu einer Umgestaltung des derzeitigen klinischen Organtransplantationssystems führen werde. Sobald diese Technologie ausgereift ist und klinisch angewendet wird, wird eine Organtransplantation nicht mehr nur eine Notoperation sein, und es wird mehr Zeit für die präoperativen Vorbereitungen geben. Auch das Zuteilungssystem wird mehr Zeit haben, die Organe zuzuteilen und die beste Gewebeübereinstimmung zu erzielen. Gleichzeitig werden Patienten in abgelegenen Gebieten mehr Transplantationsmöglichkeiten erhalten. Organe, die derzeit wenig genutzt werden, wie Herz, Lunge und Bauchspeicheldrüse, können besser konserviert und transportiert werden.“ Sagte Nian Yeqi erwartungsvoll.