Ja vitrifikācija ir mērķis, jo tā ķermeni pārvieta stabilā, stikliskā stāvoklī, nevis pakļauj postošai ledus veidošanai, tad krioprotektanti ir tas paņēmiens, kas šo pāreju padara fiziski iespējamu. Tos var salīdzināt ar medicīnisku antifrīzu. Tomēr, tāpat kā daudzām citām būtiskām metodēm šajā jomā, arī krioprotektantiem ir nopietns trūkums: viela, kas pasargā audus no ledus, pārāk lielā devā var tos saindēt. Lai saprastu krioprotektantu nozīmi, jāizprot, kā šo pretrunu cenšas līdzsvarot.
Kāpēc ledus veidošanās ir jānovērš
Sāksim ar ienaidnieku. Kad ūdens ķermenī sasalst, tas rada divu veidu bojājumus vienlaikus. Pirmais ir mehānisks bojājums: augoši ledus kristāli saspiež apkārtējās šūnas arvien šaurākās nesasalušā šķidruma telpās un deformē to smalko iekšējo uzbūvi. Otrais ir ķīmisks bojājums: sasalstot tīram ūdenim, tajā izšķīdušās vielas koncentrējas atlikušajā šķidrumā, un sāļu un citu savienojumu koncentrācija var pieaugt līdz toksiskam līmenim. Katrs no šiem procesiem atsevišķi būtu slikts. Kopā šie procesi parastu sasalšanu padara par drošu veidu, kā iznīcināt struktūras, no kurām ir atkarīga cilvēka personība un atmiņas, kas ietver jūsu identitāti.
Krioprotektanti pastāv tāpēc, lai ledus vispār nerastos. Sasalšanas vietā audi pāriet stikliskā jeb vitrificētā stāvoklī, un to struktūra saglabājas tik labi, cik to ļauj perfūzijas kvalitāte.
Kas krioprotektanti īsti ir
Krioprotektīvās vielas darbojas līdzīgi automašīnu antifrīzam: tās izšķīst ūdenī un pazemina ūdens sasalšanas temperatūru. Kriosaglabāšanā izmanto medicīniskas kvalitātes vielas, piemēram, glicerīnu, etilēnglikolu, propilēnglikolu un dimetilsulfoksīdu (DMSO), kuras kombinē tieši šim nolūkam. Tās veido divas grupas, kas darbojas kopā:
- Iekļūstošās vielas šķērso šūnas membrānu un neļauj ledum veidoties šūnas iekšienē.
- Neiekļūstošās vielas paliek šūnas ārpusē un neļauj ledum veidoties telpās starp šūnām, kur tas parasti veidojas vispirms. Iekļūstošās vielas šķērso šūnas membrānu un aizvieto lielu daļu iekšējā ūdens, tā neļaujot ledum veidoties šūnas iekšienē.
Šīs divas grupas lieto kopā, un tam ir svarīgs pamatojums. Tā kā neiekļūstošās vielas kavē ledus veidošanos ārpus šūnām, iekļūstošās vielas šūnu iekšienē var lietot mazākā koncentrācijā. Un koncentrācija, kā redzēsim tālāk, ir tieši šī jautājuma kodols.
Toksicitātes kompromiss, kas ir šī stāsta pamatā
Šeit atklājas spriedze, kas nosaka visu kriosaglabāšanas jomu. Lai vitrifikācija noritētu droši, ievērojama daļa ķermeņa ūdens jāaizvieto ar krioprotektantu šķīdumu. Taču, jo augstāka koncentrācija, jo toksiskāka viela audiem. Ja vielas ir pārāk maz, veidojas ledus. Ja tās ir pārāk daudz, rodas ķīmisks bojājums. Uzdevums ir atrast līdzsvaru starp šiem diviem riskiem.
Divi fakti šo līdzsvaru padara panākamu. Pirmkārt, toksicitāte būtiski ir atkarīga no temperatūras: viela, kas augstākā temperatūrā bojātu audus, zemākā temperatūrā ir daudz mazāk kaitīga. Tāpēc krioprotektantus ievada pakāpeniski, palielinot to koncentrāciju un vienlaikus atdzesējot ķermeni, lai katrā posmā toksicitāte būtu iespējami zema. Otrkārt, piemēroti vielu maisījumi var būt mazāk toksiski nekā jebkura no šīm vielām, lietota atsevišķi lielā koncentrācijā. Šādu sastāvu pilnveidošana ir aktīvs pētniecības virziens, kas var ietekmēt iespējamas nākotnes atdzīvināšanas kvalitāti.
Risinājumi kļūst arvien labāki
Mūsdienās izmantotie krioprotektantu šķīdumi nav viena viela, bet rūpīgi līdzsvaroti maisījumi, kas tapuši desmitgadēm ilgas pilnveides gaitā. Kriobiologs Gregs Faihijs (Greg Fahy) vitrifikācijas šķīdumus pilnveidoja pakāpeniski, un katra jaunā versija novērsa iepriekšējās trūkumus. Agrīnos vienkomponenta maisījumus vēlāk nomainīja DMSO kombinācijas ar amīdiem un propilēnglikolu. Pēc tam toksiskākos komponentus aizvietoja etilēnglikols. Vēlāk pievienoja molekulas, kas kavē ledus veidošanos un nomāc kristalizāciju arī mazākā koncentrācijā. Nākamais solis bija neiekļūstošo komponentu proporciju pielāgošana, lai mazinātu aukstuma radītos bojājumus. Pašlaik cilvēkiem izmantotie šķīdumi ir šīs attīstības līdzšinējais rezultāts. Tomorrow.bio un Cryonics Institute izmanto optimizētu šķīduma versiju VM1, ko veido aptuveni vienādas dimetilsulfoksīda un etilēnglikola daļas. Citi pakalpojumu sniedzēji lieto savus, patentētus sastāvus. Šie risinājumi atšķiras izmaksu un pieejamās dokumentācijas ziņā: VM1 katrā gadījumā ir krietni lētāks. Pētnieki izmanto arī prognozējošu toksicitātes rādītāju qv*, kas palīdz izstrādāt maisījumus, kuri droši vitrificējas un rada pēc iespējas mazāku kaitējumu. Svarīgi saprast, ka krioprotektants nav viena nemainīga viela, bet pastāvīgi pilnveidojams šķīdumu sastāvs. Katrs uzlabojums var palielināt saglabāšanas kvalitāti, kas ir arī temats sadaļā par jomas attīstību.
Neatrisinātā problēma
Ir vēl viena atklāta nianse. Kriogēnā temperatūrā krioprotektantu toksiskā iedarbība būtiski mazinās, jo ķīmiskie procesi norit ārkārtīgi lēni. Toksicitāte kļūst par problēmu tikai sasilšanas laikā. Sasilšanas laikā šīs vielas būtu ātri un pilnībā jāizvada, lai tās nebojātu audus. To kvalitatīva veikšana ir nākotnes medicīnas uzdevums, jo atdzīvināšanai nepieciešamās metodes pašlaik nepastāv. Tas ir jāpasaka skaidri: atdzīvināšana pašlaik nav iespējama, un apgalvot pretējo būtu maldinoši. Pieņēmums ir šāds: civilizācija, kas spēs novērst sākotnējo nāves cēloni, varētu spēt arī kontrolēti sasildīt organismu. Saglabātā struktūra tai varētu sniegt vērtīgu pamatu turpmākai ārstēšanai.
Līdzsvara meklēšana starp efektīvāku aizsardzību pret ledu un mazāku toksicitāti ir nozīmīga pētījumu joma Tomorrow.bio un citviet. Katrs maisījuma uzlabojums var palīdzēt precīzāk saglabāt cilvēka struktūru atdzesēšanas laikā līdz −196 °C.
Īsumā: Krioprotektanti samazina ledus veidošanos un padara vitrifikāciju iespējamu. Tie var izraisīt toksisku iedarbību un osmotisko stresu, tāpēc rūpīgi jākontrolē koncentrācija, temperatūra un ievadīšanas metode.
Izpētiet šo praktisko rīku
Izmantojiet interaktīvo rīku, lai izpētītu šajā rakstā minēto jautājumu.
Tiek ielādēts interaktīvais rīks...
Papildu lasāmviela