In Science-Fiction-Geschichten begegnen einem hin und wieder Raumschiffpassagiere, deren Körper tiefgefroren darauf warten, nach Jahrzehnten oder gar Jahrhunderten wieder aufgetaut zu werden. Danach verfügen sie in der Regel bald über all ihre gewohnten geistigen und körperlichen Fähigkeiten. Wie realistisch ist eine solche Kryokonservierung?

Im Prinzip können Nervenzellen das Einfrieren insoweit überstehen, als sie nach dem Auftauen zumindest teilweise noch funktionieren – das haben Fachleute sowohl an Hirngewebe von Menschen als auch von meist jungen Wirbeltieren gezeigt. Die physiologischen Vorgänge, die ein intaktes Gehirn ausmachen, ließen sich allerdings bisher nicht vollständig wiederherstellen. Dazu gehören beispielsweise die elektrische Aktivität der Neurone, der Zellstoffwechsel und die sogenannte neuronale Plastizität. Dabei passen Nervenzellen ihre Verbindungen zu anderen Neuronen an, wenn sich die Bedingungen verändern.

Ein deutsches Forscherteam hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich Mäusegehirne einfrieren und wieder auftauen lassen, ohne dass all diese Funktionen verloren gehen. Der als Vitrifikation bezeichnete Vorgang überführt das Gewebe in einen glasartigen Zustand. Zusammen mit einem besonders schonenden Auftauverfahren wird damit gewährleistet, dass die Zellen kaum Schaden davontragen.

Für die Zukunft konserviert

Der Hauptgrund, warum sich das Gehirn vom Einfrieren normalerweise nicht vollständig erholt, sind Schäden durch Eiskristalle, die sich in den Zellen bilden. Sie beschädigen deren Strukturen und stören so zentrale Abläufe im Gewebe. »Neben Eis müssen wir auch osmotischen Stress und die Toxizität von Kryoschutzmitteln berücksichtigen«, erklärt Alexander German, Neurologe an der Universität Erlangen-Nürnberg und Erstautor der Studie. Er und sein Team nutzten deshalb eine eisfreie Kryokonservierungsmethode, um die Hirnfunktionen möglichst gut zu erhalten.

Bei der Vitrifikation kühlt man Flüssigkeiten so schnell ab, dass die Moleküle in einem ungeordneten, glasartigen Zustand verbleiben, ohne Eiskristalle zu bilden. »Wir wollten sehen, ob die zellulären Vorgänge wieder anlaufen können, nachdem die molekulare Bewegung im glasartigen Zustand vollständig zum Erliegen gekommen ist«, sagt German.

Zunächst testete das Team die Methode an 350 Mikrometer dicken Schnitten von Hirngewebe aus der Maus. Diese enthielten unter anderem den Hippocampus – ein wichtiges Hirnareal für Gedächtnisvorgänge und räumliche Orientierung. Die Fachleute behandelten die Schnitte mit speziellen Kryokonservierungsstoffen und kühlten sie dann mit flüssigem Stickstoff schlagartig auf minus 196 Grad Celsius ab. Anschließend lagerten sie das Gewebe bei minus 150 Grad Celsius zwischen zehn Minuten und sieben Tage lang.

»Wir haben bereits erste Daten, die zeigen, dass Gewebe aus dem menschlichen Kortex lebensfähig bleibt«Alexander German, Neurologe

Nachdem das Team die Proben in warmen Lösungen aufgetaut hatte, prüfte es, ob das Gewebe noch funktionsfähig war. Unter dem Mikroskop erwiesen sich neuronale und synaptische Membranen als intakt, und Tests auf mitochondriale Aktivität zeigten keine Beeinträchtigung des Energiestoffwechsels. Elektrische Messungen ergaben, dass die Neurone fast normal auf entsprechende Reize reagierten; sie unterschieden sich kaum von unbehandelten Vergleichszellen. Die neuronalen Bahnen im Hippocampus verstärkten als Reaktion auf wiederholte elektrische Stimulation weiterhin ihre Synapsen – ein Vorgang der neuronalen Plastizität, der auch als Langzeitpotenzierung bekannt ist. Er ist zentrale Voraussetzung für Lernvorgänge. Da solche Gewebeschnitte rasch zerfallen, blieben die Beobachtungsfenster allerdings auf wenige Stunden beschränkt.

Das Team wandte die Methode anschließend auf ganze Mäusegehirne an. Bis zu acht Tage lang blieben diese bei minus 140 Grad in dem glasartigen Zustand konserviert. Allerdings musste das Versuchsprotokoll hierfür noch mehrmals leicht verändert werden, um zu verhindern, dass das Gewebe schrumpft oder die Kryokonservierungsstoffe es schädigen.

Nach dem Auftauen fertigten die Forscher davon feine Schnitte an und testeten wiederum diverse Eigenschaften. Elektrische Messungen im Hippocampus belegten, dass wichtige neuronale Bahnen überlebt hatten und weiterhin zu Langzeitpotenzierung in der Lage waren. Dazu gehörten auch solche Nervenzellen, die für Gedächtnisvorgänge relevant sind. Ob die Tiere tatsächlich ihr Erinnerungsvermögen nach dem Einfrieren behalten hätten, lässt sich natürlich nicht sagen.

Noch Science-Fiction

German und sein Team testen das Verfahren inzwischen auch an menschlichem Hirngewebe. »Wir haben bereits erste Daten, die zeigen, dass Gewebe aus dem menschlichen Kortex lebensfähig bleibt«, sagt er. Die Forscher versuchen zudem, per Vitrifikation ganze Organe zu konservieren – insbesondere das Herz. Gelänge das, könnten sich neue Möglichkeiten in der Organmedizin eröffnen. Denn ein Hauptproblem bei zu transplantierenden Organen ist deren extrem kurze Haltbarkeit.

Mrityunjay Kothari, der an der University of New Hampshire in Durham zu Kryokonservierung forscht, weist jedoch darauf hin, dass sich die Ergebnisse womöglich nicht einfach auf größere menschliche Organe übertragen lassen. Denn diese würden zusätzliche Herausforderungen mit sich bringen. »Einige davon hängen mit begrenztem Wärmetransport und höheren thermomechanischen Spannungen zusammen, die zu Rissen führen können«, erklärt er. Laut German brauche man noch bessere Reagenzien für die Vitrifikation sowie Fortschritte bei den Kühl- und Auftauverfahren, bevor sich solche Ansätze auf große menschliche Organe übertragen lassen.