Kriobioloģija nav vienkārša procedūra, kurā audus atdzesē, uzglabā un pēc tam gaida nākotnes risinājumus. Tā ir aktīva zinātnes nozare, un atšķirība starp saglabāšanu, kas veikta 1970. gadā, un tādu, kas veikta šodien, ir liela un izmērāma. Katrs uzlabojums smadzeņu ultrastruktūras saglabāšanā palielina iespēju, ka nākotnes medicīnas tehnoloģijas varētu ļaut atjaunot cilvēku, nezaudējot atmiņu, personību un identitāti. Šajā rakstā apskatīts, kā šī nozare attīstās, ko tā līdz šim ir pierādījusi, ko nav, un kas veic šo darbu.
Nozare, nevis viena metode
Izšķirošs pavērsiens bija pāreja no sasaldēšanas uz vitrifikāciju, proti, audu pārvēršanu stiklveida stāvoklī bez ledus kristālu veidošanās, izmantojot krioprotektorus. Šo pieeju 1984. gadā ierosināja kriobiologs Gregs Fahijs (Greg Fahy), bet cilvēku krioprezervācijā to sāka izmantot aptuveni 2000. gadā.
Vitrifikācija sākotnēji nebija pilnveidota metode, galvenokārt krioprotektoru toksicitātes dēļ. Lai novērstu ledus veidošanos, krioprotektori jālieto ļoti augstā koncentrācijā, taču šādās koncentrācijās tie ir toksiski. Tāpēc vitrifikācijas šķīdumu izstrādes mērķis ir paplašināt robežu starp koncentrāciju, kas nodrošina vitrifikāciju, un koncentrāciju, kas izraisa neatgriezeniskus bojājumus.
Četras problēmas, ar kurām nozare strādā
1. Krioprotektoru toksicitāte. Tā ir centrālā problēma, un standarta rokasgrāmata to formulē nepārprotami. Human Cryopreservation Procedures (de Volfs un Plats, faktus pārbaudījis Braiens Vovks) problēma formulēta šādi: kriobioloģijas galvenais uzdevums nav radīt šķīdumus, kas lēnas atdzesēšanas laikā novērš ledus veidošanos, bet gan izstrādāt netoksiskus vitrifikācijas šķīdumus.
Progress šajā jomā panākts ar vairākiem konkrētiem risinājumiem, nevis ar vienu izšķirošu izrāvienu. Dažu krioprotektoru toksicitāti var mazināt, tos kombinējot. Viens no pazīstamākajiem piemēriem ir Fahija atklājums, ka DMSO mazina formamīda toksicitāti. Sastāva rādītājs qv* ļauj prognozēt vitrifikācijas šķīduma kopējo toksicitāti un palīdz šķīdumus izstrādāt sistemātiski, nevis tikai empīriski. Šā rādītāja izmantošana ļāva izdarīt šķietami paradoksālu secinājumu: vājāki stiklveidotāji var nodrošināt lielāku šūnu dzīvotspēju. Tādēļ lielākas etilēnglikola koncentrācijas izmantošana propilēnglikola vietā palielināja šūnu dzīvotspēju. Sintētiskie ledus blokatori risina problēmu no otras puses. 2000. gadā Braiens Vovks un kolēģi parādīja, ka polimēri var kavēt heterogēnu ledus kristālu veidošanos. Šajā darbā izmantotie polivinilspirta kopolimēri un poliglicerīns, kas tiek tirgoti kā X-1000 un Z-1000, samazina vitrifikācijai nepieciešamo minimālo krioprotektoru koncentrāciju. Mazāks nepieciešamais krioprotektoru daudzums nozīmē arī mazāku toksisko slodzi.
Šīs problēmas pašreizējais stāvoklis aprakstīts tajā pašā rokasgrāmatā. Tiek uzskatīts, ka arī labi veiktos gadījumos smadzeņu dzīvotspēja zūd krioprotektīvās perfūzijas agrīnajā un vidējā posmā krioprotektoru toksicitātes un to izraisītās dehidratācijas dēļ. Ultrastruktūras saglabāšana nav tas pats, kas audu dzīvotspējas saglabāšana. Pašlaik iespējams panākt tikai pirmo.
2. Krioprotektora ievadīšana visā smadzeņu audu tilpumā. Vācietis (German) un kolēģi skaidro, kādēļ apstrādāt veselas smadzenes ir daudz sarežģītāk nekā smadzeņu audu griezumus. Krioprotektoram pa asinsvadiem jānonāk smadzeņu audos, taču asins-smadzeņu barjeras caurlaidība un hidrauliskā vadītspēja nav savstarpēji saskaņotas, iespējams, augstās akvaporīna-4 koncentrācijas dēļ astrocītu perivaskulārajos izaugumos. Ar viņu izstrādāto protokolu veselu smadzeņu apstrāde izdevās vienā no trim izmēģinājumiem. Akvaporīni ir minēti kā iespējams tiešas iedarbības mērķis.
3. Sasildīšana. Sasildīšana ir sarežģītākā procesa daļa. Atdzesēšanas laikā ledus veidošanās jānovērš vienu reizi. Savukārt sasildot audi caur šo temperatūras diapazonu virzās lēnāk, tādēļ ledus var veidoties arī tad, ja atdzesēšanas laikā tas neveidojās. Konduktīvās sasildīšanas laikā siltums no virsmas virzās uz audu iekšieni, tādēļ šai metodei ir izmēra ierobežojums. Vācu grupa to saista ar lielāko audu izmēru, ko ar šo metodi iespējams droši apstrādāt. Virs tā ir nepieciešamas tilpuma sasilšanas metodes. 2023. gadā Minesotas universitātes grupa vitrificēja žurku nieres, glabāja tās līdz 100 dienām un sasildīja ar vidējo ātrumu 63.7°C minūtē, radiofrekvences laukā ierosinot ar silīciju pārklātas dzelzs oksīda nanodaļiņas. Pēc transplantācijas nieres nodrošināja dzīvnieku dzīvotspēju. Tajā pašā gadā Ramona Riska (Ramon Risco) grupa Seviljā panāca 217.8°C minūtē, izmantojot augstas intensitātes fokusētu ultraskaņu. Tā nodrošina siltuma ievadi visā audu tilpumā, un nanodaļiņas nav vajadzīgas. 2025. gada publikācijā šī pieeja tika paplašināta līdz litru mēroga tilpumiem, izmantojot vitrifikāciju un nanosasildīšanu litru mēroga tilpumiem. Neviena no metodēm nav pārbaudīta uz kaut ko tik lielu kā cilvēka smadzenes.
4. Plaisāšana zem stiklošanās pārejas temperatūras. Zem stiklošanās pārejas temperatūras materiāls turpina sarauties, bet vairs nespēj atslābināt iekšējos spriegumus, tādēļ tas var plaisāt. 2025. gada pētījums parādīja, ka plaisāšana ir saistīta ar termisko saraušanos un temperatūras gradientiem, kas veidojas ātras atdzesēšanas laikā. Šīs problēmas mazināšanai tiek izmantota lēna atdzesēšana līdz kriogēnām temperatūrām un vidējas temperatūras glabāšana.
Kas ir pierādīts un ar kādiem līdzekļiem
Turpmāk minētie apgalvojumi ir sakārtoti pēc tā, ko konkrētais eksperiments patiešām pierādīja un kādā sistēmā.
Vesels orgāns pēc vitrifikācijas un transplantācijas. Fahija grupa uzņēmumā 21st Century Medicine 2009. gadā ziņoja, ka truša niere pēc piesūcināšanas ar vitrifikācijas šķīdumu M22, atdzesēšanas līdz -135°C bez ledus veidošanās, sasildīšanas un transplantācijas darbojās kā dzīvnieka vienīgā niere. Tas joprojām ir skaidrākais pierādījums, ka sarežģīts orgāns var izturēt pilnu ciklu.
Ultrastruktūra saglabāta veselās smadzenēs, izmantojot fiksāciju. Aldehīdstabilizēta krioprezervācija tika publicēta žurnālā Cryobiology 2015. gadā. 2018. gadā tā saņēma Brain Preservation Foundation balvu lielo zīdītāju kategorijā, jo cūkas smadzenēs pēc sasildīšanas ar trīsdimensiju elektronu mikroskopiju tika konstatēta saglabāta sinaptiskā savienojamība. Glutaraldehīds vispirms fiksē ultrastruktūru, tādēļ šo audu bioloģiska atjaunošana nav iespējama. Šīs pieejas priekšrocības un ierobežojumi aplūkoti sadaļā saglabāšana bez sasaldēšanas.
Ultrastruktūra saglabāta veselās smadzenēs, izmantojot tikai vitrifikāciju. 2026. gada Fahija, Ralfa Spindlera, Braiena Vovka un kolēģu preprints ziņo par zīdītāju smadzeņu ultrastrukturālu un histoloģisku saglabāšanu ar vitrifikāciju bez iepriekšējas aldehīda fiksācijas. Tas vēl nav pabeidzis recenzēšanas procesu.
Atjaunota peles hipokampa funkcija. 2026. gada martā Aleksandrs Vācietis (Alexander German) un kolēģi Erlangenā-Nirnbergā publicēja pētījumu par pieaugušas peles hipokampa funkcionālu atjaunošanu pēc krioprezervācijas ar vitrifikāciju žurnālā PNAS. Gan audu griezumi, gan veselas smadzenes in situ tika turēti zem stiklošanās pārejas temperatūras no desmit minūtēm līdz septiņām dienām, pēc tam sasildīti un izmeklēti. Atjaunojās membrānas miera potenciāls, sinaptiskā pārraide, vielmaiņas reaktivitāte un ilgtermiņa potenciācija. LTP pēc vitrifikācijas bija 138.06 ± 6.90%, bet kontroles grupā 157.68 ± 7.14%; P = 0.072. Attiecīgie dati iegūti no septiņiem un astoņiem griezumiem septiņām pelēm. Šī atšķirība nav statistiski nozīmīga, tomēr pētījuma izlase nav pietiekami liela, lai droši izslēgtu reālu funkcijas samazinājumu. Autori rezultātu raksturo kā īstermiņa funkcijas atjaunošanos. Secinājums ir tāds, ka peles hipokampā vairākas dienas pēc pilnīgas molekulārās mobilitātes apstāšanās saglabājās šūnu mehānismi, kas nepieciešami mācīšanās un atmiņas procesiem. Šis rezultāts neattiecas uz cilvēka smadzenēm, veseliem cilvēka mēroga orgāniem vai ilgstošu glabāšanu. PNAS par to publicēja neatkarīgu komentāru 2026. gada jūnijā.
Cilvēka smadzeņu audu uzglabāšana un funkcijas atjaunošana. 2024. gadā Fudaņas universitātes grupa publicēja protokolu, ko tie nosauca MEDY, pamatojoties uz metilcelulozi, etilēnglikolu, DMSO un Y27632. Pēc atkausēšanas cilvēka smadzeņu audi un neironu organoīdi saglabāja struktūru, šūnu daudzveidību un neironu funkcijas pazīmes.
Kvalitātes rādītāji
Jēdziens “kvalitātes mērīšana” faktiski attiecas uz divām atšķirīgām lietām. To sajaukšana var radīt nepamatoti optimistisku priekšstatu par sasniegtajiem rezultātiem. Viens rādītājs mēra faktiski panākto saglabāšanu. Otrs rādītājs mēra kaitējumu, ko pacients pieredzējis saglabāšanas procesa laikā. Abiem rādītājiem jābūt iekļautiem gadījuma dokumentācijā, tomēr par sasniegto rezultātu liecina tikai pirmais.
Rezultātu rādītāji: ko izdevies saglabāt
Standarta rokasgrāmata definē trīs rādītājus, katram no kuriem ir sava metode. Ledus veidošanās novēršanu vērtē ar datortomogrāfiju, kas ļauj atšķirt vitrificētus un sasalušus reģionus, jo ledum un vitrificētajam šķīdumam ir atšķirīgs blīvums. Ultrastruktūras saglabāšanu vērtē ar elektronu mikroskopiju mikrolitru tilpuma smadzeņu audu paraugos. Šajos pašos paraugos dzīvotspēju vērtē ar testiem, piemēram, nosakot kālija un nātrija attiecību. Rokasgrāmata šo standartu formulē tieši: katrā gadījuma ziņojumā jāietver CT skenējumi un elektronu mikrogrāfijas, kas dokumentē panākto vitrifikācijas un ultrastruktūras saglabāšanas pakāpi.
Tajā pašā rokasgrāmatā atzīts, ka trešo rādītāju pašlaik nav iespējams sasniegt augstā līmenī: minētās toksicitātes dēļ pacientu smadzeņu paraugos augsti dzīvotspējas rādītāji nav iegūstami. Labs gadījums šodien ir tāds, kas pierāda vitrifikāciju un ultrastruktūras saglabāšanu, nevis tāds, kas pierāda dzīvotspēju.
Ekspozīcijas rādītāji: kādiem apstākļiem pacients bijis pakļauts
S-MIX ir standartizēts išēmiskās slodzes rādītājs, kas pacienta temperatūras un asinsrites vēsturi izsaka kā ekvivalentu išēmijas ilgumu normālā ķermeņa temperatūrā, piešķirot lielāku nozīmi siltajai nekā aukstajai išēmijai. Otrs rādītājs ir sākotnējais atdzesēšanas ātrums, normalizēts pēc pacienta svara. Šie rādītāji ļauj salīdzināt gadījumus un konkrēti novērtēt protokolu izmaiņu ietekmi. Tie apraksta apstākļus, kādos notikusi saglabāšana. Tie nemēra, kāds bija rezultāts.
Ko mēra Tomorrow.bio
Katram mūsu gadījumam veic datortomogrāfiju, tādēļ vitrifikācijas pakāpe tiek dokumentēta, nevis tikai pieņemta. Mēs esam veikuši datortomogrāfiju lielākam pacientu skaitam un publicējuši rezultātus par vairākiem pacientiem nekā jebkura cita krioprezervācijas organizācija. Atsevišķu gadījumu ziņojumi ir publiski pieejami pilnā apjomā. Elektronu mikroskopijai nepieciešama tieša piekrišana smadzeņu audu paraugu izņemšanai, tāpēc tā tiek veikta tikai tad, ja biedrs to atļāvis; līdz šim tas noticis vienā gadījumā.
Šī atšķirība jāņem vērā, vērtējot jebkuras organizācijas apgalvojumus par kvalitāti: datortomogrāfija rāda, vai veidojies ledus, bet tikai elektronu mikroskopija ļauj novērtēt sinapšu stāvokli.
Kas veic šo darbu
21st Century Medicine ir izstrādāti risinājumi, kas saistīti ar truša nieres eksperimentu, aldehīdstabilizētu krioprezervāciju, qv* modeli, M22 un sintētiskajiem ledus blokatoriem. Liela daļa mūsdienās izmantotās krioprotektoru ķīmijas ir radusies šajā organizācijā.
Aleksandra Vācieša grupa Erlangenā-Nirnbergā veica iepriekš aprakstīto funkcionālās atjaunošanas darbu. Vācietis ir ārsts un pētnieks molekulārajā neiroloģijā, kā arī viens no uzņēmuma Hiber dibinātājiem. Hiber nodarbojas ar smadzeņu struktūras saglabāšanas tehnoloģijām.
Advanced Neural Biosciences, ko 2008. gadā dibināja Ašvins de Volfs (Aschwin de Wolf) un Čana Fedra (Chana Phaedra), ir viens no retajiem institūtiem, kas specializējas tieši smadzeņu kriobioloģijā. Institūts izstrādā vitrifikācijas šķīdumus ar zemu toksicitāti un viskozitāti, kas labi šķērso asins-smadzeņu barjeru. Tas pēta arī “no-reflow” problēmu, kad pēc aizkavēšanās audos neatjaunojas perfūzija. De Volfs ir šajā rakstā minētās standarta procedūru rokasgrāmatas līdzautors.
Orgānu uzglabāšanas un transplantācijas joma nodrošina tehnoloģijas, kas ir izmantojamas arī citās nozarēs. Minesotas nanosasildīšanas darbs nāca no šīs kopienas, nevis no kriobioloģijas jomas kā tādas.
Konektomika palīdz noteikt, ko smadzeņu struktūras saglabāšana teorētiski varētu nozīmēt. 2025. gadā konsorcijs MICrONS publicēja pētījumu par vienu kubikmilimetru peles redzes garozas, kurā ir aptuveni 200,000 šūnu un 523 miljoni sinapšu. Tas ir starptautiska konsorcija vairāku gadu darba rezultāts. Tas ir neliels tilpums nelielās smadzenēs, tomēr tajā ir vairāk sinapšu, nekā pirms desmit gadiem bija iespējams kartēt.
Brain Preservation Foundation pati neveic saglabāšanu. Tā piešķir balvas, pamatojoties uz publicētiem kritērijiem un neatkarīgu elektronu mikroskopijas pārbaudi.
Tomorrow.bio un European Biostasis Foundation darbojas lietišķajā jomā: izstrādā gatavības un stabilizācijas protokolus, izmanto perfūzijas aparatūru, organizē loģistiku un ilgtermiņa glabāšanu EBF iekārtā Rafcā, Šveicē. Tur tiek testēta pirmā cilvēka izmēra vidējas temperatūras glabāšanas Dewar tvertne. Otra laboratorija tiek būvēta Berlīnē. Lielākā daļa šajā rakstā minēto rezultātu iegūti citās grupās.
2024. gada recenzētā apkopojošajā pētījumā par smadzeņu struktūras saglabāšanu aplūkoti gan argumenti, gan neatbildētie jautājumi. Viens no tā autoriem ir Ašvins de Volfs.
Kas varētu šo pieeju atspēkot
Šo pieeju varētu apšaubīt trīs veidu rezultāti, un katru no tiem principā varētu iegūt pašreizējās pētniecības programmas gaitā.
Ja izrādītos, ka krioprotektoru nav iespējams ievadīt caur neskartu asins-smadzeņu barjeru veselu smadzeņu mērogā, audu griezumu rezultāti joprojām būtu interesanti, bet to praktiskā nozīme būtiski mazinātos. Ja tiktu pierādīts, ka pašreizējie protokoli regulāri iznīcina, nevis tikai bojā sinaptisko ultrastruktūru, pamatpieņēmums nebūtu spēkā. Ja izrādītos, ka ilgtermiņa atmiņa lielā mērā ir saistīta ar nepārtrauktu elektrisko aktivitāti, nevis ar saglabātu struktūru, saglabāšana saglabātu nepareizo lietu.
Pagaidām nekas no tā nav pierādīts, un pieejamie dati katrā no šiem jautājumiem liecina par pretējo. Tomēr šiem jautājumiem ir vērts turpināt sekot.
Kāpēc progress ir svarīgs
Nekas no iepriekš minētā nemaina secinājumu, ka atjaunošana šobrīd nav iespējama. Tomēr uzlabojas saglabāšanas precizitāte, un tieši tā noteiks, cik daudz informācijas nākotnes tehnoloģijām būs pieejams atjaunošanai. Četras jomas risina dažādas problēmas daļas: kriobioloģija, orgānu uzglabāšana, konektomika un klīniskā medicīna. Vienā jomā iegūtās zināšanas un tehnoloģijas tiek izmantotas arī citās. Iespējamie atjaunošanas ceļi, kuru izpēti šis darbs veicina, aplūkoti sadaļā kā mēs varētu panākt atjaunošanu.
Īsumā: Pētniecība uzlabo krioprotektorus, orgānu saglabāšanu, smadzeņu struktūras izpēti un sasildīšanas metodes. Šie uzlabojumi var paaugstināt saglabāšanas kvalitāti, taču cilvēka atjaunošana pagaidām nav iespējama.
Izpētiet šo praktisko rīku
Izmantojiet interaktīvo rīku, lai izpētītu šajā rakstā minēto jautājumu.
Interaktīvais rīks tiek ielādēts...
Papildu lasāmviela