Hvorfor foregår kryopræservering ved -196 grader Celsius?

Her er et spørgsmål, der er værd at tage bogstaveligt: hvad forsøger vi egentlig at gøre, når vi præserverer et menneske? Svaret er ikke at gøre kroppen kold. Kulden er et middel, aldrig et mål i sig selv. Målet er at bremse de biologiske og kemiske processer så kraftigt, at opbevaringstiden får langt mindre betydning. Næsten alt andet, også tallet i titlen, følger af dette krav.

Det relevante spørgsmål er derfor ikke, hvorfor det skal være så koldt. Spørgsmålet er, hvor koldt det skal være, før de kemiske processer i praksis standser. Den relevante grænse er kryoprotektantopløsningens glasovergangstemperatur, omkring -130°C. Under den er den molekylære bevægelse så begrænset, at stofskifte og andre kemiske processer i praksis er standset. -196°C er ikke den grænse. Det er kogepunktet for flydende kvælstof, som ligger et pænt stykke under det afgørende punkt og holder sig der helt af sig selv.

Nedbrydning er kemi, der fortsat foregår

Når vi siger, at en krop nedbrydes, beskriver vi kemi: enzymer der skærer molekyler i stykker, reaktioner der forløber, mikrober der gør, hvad mikrober gør. Alle disse processer kræver, at molekyler bevæger sig og kolliderer. Bremses bevægelsen, bremses kemien. Bremses bevægelsen tilstrækkeligt, går processerne i praksis i stå.

Der findes en nyttig tommelfingerregel. Som en grov tilnærmelse halveres hastigheden af en typisk reaktion, når temperaturen sænkes med omkring 10°C. Det lyder ikke voldsomt, før man lægger tilstrækkeligt mange af de halveringer sammen. At gå fra kropstemperatur til meget lave temperaturer bremser ikke nedbrydningen med en faktor to eller ti, men med faktorer på mange størrelsesordener. Kapløbet mod den cellulære nedbrydning, der begynder, når hjertet stopper, handler i sidste ende om at sænke temperaturen så hurtigt, at yderligere nedbrydning får minimal betydning.

Isdannelse er problemet. Vitrifikation er løsningen.

Man kunne tro, at løsningen blot er at fryse et menneske. Det er ikke rigtigt, og vand er årsagen. Problemet er vandet i vævet: Når vand fryser, udvider det sig: det udvider sig, og de voksende iskrystaller flænger cellemembraner og river fine strukturer i stykker. Krystallerne er ikke det eneste problem. Når rent vand krystalliserer ud, koncentreres de salte og andre opløste stoffer, der er tilbage, i den krympende lomme af væske, der stadig er flydende. Celler i den stadig mere koncentrerede opløsning mister vand og påføres osmotisk skade. Ingen krystal rører dem overhovedet. At fryse et menneske, som man fryser en bøf, ville være en effektiv måde at ødelægge netop det, man forsøger at bevare.

Vejen udenom er vitrifikation. Det meste af kroppens vand udskiftes med kryoprotektanter, en slags medicinsk frostvæske, og vævet nedkøles hurtigt nok til, at det aldrig krystalliserer. I stedet størkner det i en glaslignende tilstand: et fast stof uden iskrystaller og dermed uden de skader, som isdannelse kan forårsage. Vitrificeret væv er koldt og fast i dagligsprogets forstand, men det er ikke frosset i den skadelige betydning, hvor der dannes iskrystaller. Den forskel er hele pointen.

Det tal, der virkelig betyder noget, er omkring -130°C

Det afgørende er følgende: den temperatur, der virkelig betyder noget, er ikke -196°C. Det er glasovergangstemperaturen, omkring -130°C, hvor den vitrificerede tilstand bliver stabil. Over den kan den glaslignende tilstand langsomt ændre sig. Værre endnu kan den begynde at rekrystallisere. Rekrystallisering betyder, at der dannes iskrystaller efter vitrifikationen. Under den er den molekylære bevægelse så begrænset, at strukturen i høj grad bevares.

Hvis -130°C er der, hvor den glaslignende tilstand bliver stabil, hvorfor gå hele vejen ned til -196°C? Af samme grund som man ikke indstiller en fryser til nøjagtigt 0°C: Man ønsker en sikkerhedsmargin. Opbevares vævet mere end 60 grader under glasovergangen, ligger det langt inde i den sikre zone. Temperaturen ligger langt under det område, hvor den glaslignende tilstand kan blive mindre stabil, eller hvor is igen kan begynde at dannes. Det er forskellen på en tilstand, der kun er stabil, hvis intet går galt, og en tilstand med en stor sikkerhedsmargin. Ved langtidsopbevaring er det den sidste form for stabilitet, der er relevant.

Hvorfor netop -196? Flydende kvælstof giver en naturlig temperaturregulering.

Den specifikke værdi -196°C er ikke valgt af et udvalg. Det er den temperatur, hvor flydende kvælstof koger, og derfor er den særligt praktisk til langtidsopbevaring.

En kogende væske holder sin temperatur. Så længe beholderen indeholder flydende kvælstof, holdes indholdet omkring -196°C, uden aktiv køling. Det er en selvregulerende termostat uden bevægelige dele, uden kompressor og, afgørende, uden afhængighed af elektricitet. Patienter og prøver opbevares i vakuumisolerede dewarkar, altså vakuumisolerede beholdere, som fungerer efter samme princip som termoflasker og begrænser varmeindtrængningen kraftigt. Den eneste rutinemæssige vedligeholdelse er at fylde op med det kvælstof, der langsomt fordamper. Det står i kontrast til en elektrisk fryser, som ophører med at køle ved strømsvigt. Kogepunktet afhænger ikke af en kontinuerlig strømforsyning.

Kvælstof er desuden billigt, i overflod (det udgør det meste af luften, man indånder lige nu), inert og ikke brandbart. Som kølemiddel til langtidsopbevaring har kvælstof flere praktiske egenskaber: Det er billigt, inert og let tilgængeligt.

Prisen for at gå så koldt

Flydende kvælstof har ingen bevægelige dele, og den bekvemmelighed har en pris. Mellem glasovergangen og -196°C er der yderligere seksogtres graders nedkøling, og det vitrificerede faste stof trækker sig sammen hele vejen ned. Ved disse temperaturer er materialet sprødt, og sammentrækningen kan derfor ikke let udlignes. Det opbygger mekanisk spænding, og over en vis grænse aflaster materialet spændingen ved at revne.

Effekten er reproducerbar i laboratoriet. Revnedannelse i vitrificerede cryoprotektantopløsninger følger den termiske sammentrækning og de temperaturgradienter, som hurtig nedkøling skaber i et stort objekt. Opløsninger med en højere glasovergangstemperatur revner mindre, fordi der er mindre nedkøling tilbage, når materialet først er blevet fast.

En hel krop er en særlig udfordring. Revnedannelse begynder typisk under glasovergangen. Hvis perfusionen med kryoprotektant har været utilstrækkelig, kan revnedannelsen begynde allerede ved -90°C. Revnerne spænder fra synlige revner til mikroskopiske adskillelser. En revne adskiller vævet langs en flade frem for at beskadige det vilkårligt, men den er stadig en skade, som en eventuel fremtidig reparation skal håndtere.

Det nuværende svar er tålmodighed. Hele nedkølingen tager næsten en uge. Nedkølingen gennem glasovergangen og til lavere temperaturer er den langsomste del og styres af computer med omkring en grad i timen. Langsommere nedkøling giver mindre gradienter, og mindre gradienter giver mindre spænding.

Intermediate Temperature Storage

Det bedre svar er at stoppe nedkølingen tidligere. Ved Intermediate Temperature Storage opbevares patienten nær -140°C i stedet for -196°C. Det er stadig ti grader under glasovergangen i stedet for seksogtres. Derved begrænses den molekylære bevægelse fortsat kraftigt, samtidig med at vævet udsættes for mindre sammentrækning.

Teknikken er passiv. En beholder med flydende kvælstof placeres i bunden af dewaren, mens patienten opbevares i den kolde dampfase ovenover, hvor temperaturen reguleres til måltemperaturen. Systemet kræver hverken kompressor eller afhængighed af elnettet, fordi opbevaringen bygger på flydende kvælstofs fysiske egenskaber.

Det første ITS-dewar i menneskestørrelse ankommer til European Biostasis Foundations anlæg i Schweiz i august 2026. Den første opgave er at måle, hvor meget flydende kvælstof det faktisk forbruger, fordi det tal afgør prisen for at opbevare en patient i et århundrede. ITS vil ikke blive tilbudt medlemmer, før prisen er kendt.

Hvad der bevares ved meget lave temperaturer

Ved -196°C bliver biologiske processer i praksis ekstremt langsomme. Enzymaktiviteten ophører, mikrober kan ikke gro, og de spontane reaktioner, som ellers ville nedbryde vævet, forløber ekstremt langsomt. Kroppens molekylære struktur, især hjernens, forventes derfor at ændre sig langt langsommere.

Det sidste punkt er det, der betyder mest. Antagelsen bag biostasis er, at det, der gør dig til dig, er indkodet i hjernens fysiske struktur, herunder dens forbindelser og mønstre, som er emnet for hukommelse, identitet og hjernen. Holdes den struktur fast, bevares informationen, selv om teknologien til at aflæse den igen og genoprette funktionen ikke findes endnu. Kulden løser ikke i sig selv alle problemer. Kulden kan ses som en meget lang pause, der bevarer informationen, indtil en eventuel fremtidig teknologi kan forsøge at genoprette funktion.

Ingen af disse ting kræver en fejlfri maskine eller en uafbrudt strømforsyning. Det kræver en glaslignende tilstand i stedet for is og en temperatur med en god sikkerhedsmargin under glasovergangen. Det kræver også en kogende væske, som naturligt holder temperaturen omkring den ønskede værdi. Det er den praktiske fordel ved -196°C: Temperaturen gør langtidsopbevaring mulig uden kontinuerlig aktiv køling.

Læs mere

• Hvorfor kan vi ikke kryopræservere et menneske i live?
• Præservering uden frysning
• Hvorfor er genoplivning ikke muligt i dag?
• Kritisk ordliste