Prečo je kryokonzervácia pri -196 stupňoch Celzia?

Treba si položiť základnú otázku: čo sa vlastne snažíme dosiahnuť, keď človeka kryokonzervujeme? Odpoveď nie je urobiť ho chladným. Chlad je metóda, nikdy nie cieľ. Cieľom je zastaviť biologické procesy natoľko, aby rozdiel medzi jedným rokom a desiatimi tisíckami rokov prakticky stratil význam. Takmer všetko ostatné, vrátane toho podivne konkrétneho čísla v názve, vyplýva priamo z tejto jedinej požiadavky.

Podstatná otázka teda nie je, prečo je potrebná taká nízka teplota. Znie takto: Aká nízka musí byť teplota, aby sa chemické procesy zastavili? Táto hranica je sklený prechod roztoku kryoprotektantu, okolo -130°C. Pod touto teplotou sa molekulárny pohyb výrazne obmedzí a metabolizmus sa prakticky zastaví, takže chemické reakcie už takmer neprebiehajú. -196°C nie je táto hranica. Ide o bod varu kvapného dusíka, ktorý je výrazne pod touto hranicou a prirodzene udržiava danú teplotu bez aktívneho chladenia.

Rozklad je len chémia, ktorá sa ešte nezastavila

Keď hovoríme o rozklade tela, opisujeme chemické procesy: enzýmy rozkladajú molekuly, prebiehajú ďalšie reakcie a mikroorganizmy vykonávajú svoju metabolickú činnosť. Každý z týchto procesov potrebuje, aby sa molekuly pohybovali a zrážali. Spomalíme pohyb a spomalíme chémiu. Ak ho spomalíme dostatočne, biologické procesy sa z praktického hľadiska zastavia.

Existuje na to jednoduché pravidlo. Ako hrubý odhad platí, že pokles teploty o približne 10°C zhruba prepolí rýchlosť typickej reakcie. Samo osebe to nemusí znieť dramaticky, účinok sa však pri opakovanom znižovaní teploty násobí. Zníženie teploty z telesnej hodnoty na kryogénne teploty nespomalí rozklad iba dvojnásobne či desaťnásobne, ale o mnoho rádov. Obmedzenie bunkového rozkladu, ktorý sa začína po zástave srdca, napokon závisí od zníženia teploty natoľko, že ďalší priebeh týchto procesov je zanedbateľný.

Problémom je tvorba ľadu, riešením je sklovitý stav.

Mohlo by sa zdať, že stačí človeka jednoducho zmraziť. Nie je to tak a dôvodom je voda. Voda sa však pri zamŕzaní správa spôsobom, ktorý môže tkanivá poškodiť: rozťahuje sa a rastúce ľadové kryštály roztrhajú bunkové membrány a poškodia citlivé štruktúry. Kryštály nie sú jediný problém. Keď čistá voda kryštalizuje, soli a ďalšie rozpustené látky sa koncentrujú v zmenšujúcom sa objeme zostávajúcej kvapaliny. Bunky ponorené v tomto čoraz koncentrovanejšom roztoku strácajú vodu a poškodzujú sa osmoticky. K poškodeniu pritom môže dôjsť aj bez priameho kontaktu buniek s ľadovými kryštálmi. Zmraziť človeka rovnakým spôsobom ako bežné potraviny by znamenalo poškodiť práve tie štruktúry, ktoré sa snažíme zachovať.

Spôsob, ako sa tomu vyhnúť, je vitrifikácia. Veľká časť vody v tele sa nahrádza kryoprotektívnymi látkami, ktoré možno prirovnať k medicínskemu nemrznúcemu prostriedku, a tkanivo sa ochladzuje tak, aby sa netvorili ľadové kryštály. Namiesto toho stuhne do sklovitého stavu: tuhá látka bez ľadu, bez ostrých hrán kryštálov, bez rozťahovania a trhania. Vitrifikované tkanivo je veľmi chladné a pevné, no nevznikajú v ňom ľadové kryštály, ktoré by tkanivo poškodili. Tento rozdiel je jadrom celej veci.

Číslo, na ktorom skutočne záleží, je okolo -130°C

Pre mnohých ľudí je prekvapivé, že teplota, na ktorej naozaj záleží, nie je -196°C. Je to teplota skleného prechodu, niekde okolo -130°C, bod, pod ktorým sa vitrifikovaný stav pevne uzamkne. Nad ním sa sklovitý stav môže pomaly uvoľňovať. Ešte vážnejšie je, že môže začať rekryštalizácia. Rekryštalizácia znamená dodatočnú tvorbu ľadových kryštálov. Pod týmto bodom molekulárny pohyb klesne tak nízko, že štruktúra jednoducho zostáva stabilná.

Ak sa teda sklovitý stav stáva stabilným už pri -130°C, prečo klesať až na -196°C? Z rovnakého dôvodu, pre ktorý nenastavíte mrazničku presne na 0°C: potrebujete bezpečnostnú rezervu. Uchovávanie tkaniva viac ako 60 stupňov pod sklovým prechodom ho udrží hlboko v bezpečnej zóne. Táto teplota je dostatočne vzdialená od pásma, v ktorom by sa sklovitý stav mohol uvoľňovať alebo by mohlo dôjsť k tvorbe ľadu. Takáto rezerva zabezpečuje stabilitu aj pri prevádzkových odchýlkach a poruchách, čo je pri dlhodobom uchovávaní zásadné.

Prečo práve -196°C? Odpoveďou sú vlastnosti kvapného dusíka.

Hodnota -196°C nie je svojvoľne zvolená. Je to teplota varu kvapného dusíka, čo z nej robí mimoriadne praktickú hodnotu pre dlhodobé uchovávanie.

Vriaca kvapalina si udržiava svoju teplotu. Kým je v nádobe kvapný dusík, jej obsah sa udržiava približne na -196°C bez ohľadu na bežné zmeny okolitej teploty. To je samoregulačný termostat bez pohyblivých častí, bez kompresora a najmä bez závislosti od elektriny. Pacienti a vzorky sa uchovávajú vo vákuovo izolovaných dewarových nádobách, teda v zásade veľkých termoskách, ktoré výrazne obmedzujú prienik tepla. Jediná bežná údržba je dolievanie dusíka, ktorý sa pomaly odparuje. Na rozdiel od mechanickej mrazničky systém nie je priamo závislý od nepretržitého napájania elektrinou. Fyzikálne vlastnosti kvapného dusíka fungujú nezávisle od dostupnosti elektrickej siete.

Dusík je navyše lacný, dostupný v obrovskom množstve (tvorí väčšinu vzduchu, ktorý práve dýchate), inertný a nehorľavý. Pri návrhu chladiaceho média na dlhodobé uchovávanie by bolo ťažké nájsť vhodnejšiu látku než dusík získavaný z atmosféry.

Cena za taký chlad

Pasívne uchovávanie v kvapnom dusíku má však aj svoju nevýhodu. Medzi teplotou skleného prechodu a -196°C nasleduje ďalších šesťdesiatšesť stupňov ochladzovania, počas ktorých sa vitrifikovaný materiál ďalej zmršťuje. V tomto stave je už materiál krehký, a vzniknuté napätie sa preto nemôže uvoľniť deformáciou. To vytvára mechanické napätie a nad určitým prahom sa materiál napätia zbaví trhlinami.

Tento jav bol opakovane pozorovaný v laboratórnych podmienkach. Praskanie vo vitrifikovaných roztokoch kryoprotektantov súvisí s tepelným zmršťovaním a teplotnými gradientmi, ktoré pri rýchlom ochladzovaní vznikajú vo veľkých objektoch. Roztoky s vyššou teplotou skleného prechodu praskajú menej, pretože po prechode do tuhého stavu sa ďalej ochladzujú v menšom teplotnom rozsahu.

Celé telo je najzložitejším prípadom. Praskanie zvyčajne začína pod teplotou skleného prechodu. Ak perfúzia kryoprotektantom nebola dôkladná, môže sa začať už pri teplote okolo -90°C. Trhliny môžu byť viditeľné voľným okom, ale aj mikroskopické. Trhlina rozdelí tkanivo pozdĺž určitej roviny bez premiešania jeho obsahu, takže štruktúra na oboch stranách zostáva zachovaná. Napriek tomu predstavuje poškodenie, ktoré by musela budúca technológia opraviť.

Súčasným riešením je pomalé a kontrolované ochladzovanie. Celé chladenie trvá takmer týždeň. Najpomalšou fázou je ochladzovanie v okolí teploty skleného prechodu a pod ňou, ktoré počítač riadi rýchlosťou približne jeden stupeň za hodinu. Pomalšie chladenie znamená menšie gradienty a menšie gradienty znamenajú menšie napätie.

Skladovanie pri strednej teplote

Ďalšou možnosťou je ukončiť ochladzovanie pri vyššej teplote. Skladovanie pri strednej teplote (Intermediate Temperature Storage) udržiava pacienta okolo -140°C namiesto -196°C. Ide stále o desať stupňov pod teplotou skleného prechodu, nie o šesťdesiatšesť stupňov, takže molekulárny pohyb zostáva prakticky zastavený a rozklad je zanedbateľný, pričom objemové zmršťovanie je výrazne menšie.

Ide o pasívne riešenie. Zásobník kvapného dusíka je na dne dewaru, zatiaľ čo pacient je uložený v chladných dusíkových parách nad ním. Teplota v tomto priestore sa reguluje na cieľovú hodnotu. Bez kompresora a bez závislosti od elektrickej siete, z rovnakého dôvodu, prečo sa kvapný dusík vôbec používa na uchovávanie.

Prvý dewar na skladovanie pri strednej teplote pre dospelého človeka má byť do zariadenia European Biostasis Foundation vo Švajčiarsku dodaný v auguste 2026. Prvou úlohou bude zmerať jeho skutočnú spotrebu kvapného dusíka, pretože tento údaj určí náklady na uchovávanie pacienta počas storočia. Skladovanie pri strednej teplote sa členom neponúka, kým tieto náklady nie sú known.

Čo tam v skutočnosti prežíva

Pri -196°C sa biologický čas prakticky zastaví. Aktivita enzýmov sa zastaví, mikróby nemôžu rásť a spontánne reakcie, ktoré by inak rozložili tkanivo, nemajú zďaleka dosť energie na to, aby prebehli. Molekulárna štruktúra tela, a najmä mozgu, zostáva vo veľkej miere zachovaná.

Tento posledný bod je najdôležitejší. Základným predpokladom biostázy je, že to, čo tvorí osobnú identitu, je zakódované vo fyzickej štruktúre mozgu, najmä v nervových spojeniach a ich vzorcoch, ktoré súvisia s pamäťou a ďalšími mentálnymi funkciami. Ak sa túto štruktúru podarí zachovať, zostane zachovaná aj informácia, hoci technológia na jej opätovné čítanie a obnovenie funkcie zatiaľ neexistuje. Chlad nie je zázračné riešenie. Je to spôsob, ako biologické zmeny spomaliť natoľko, aby sa zachovaná informácia mohla uchovať do času, keď ju budúce technológie azda dokážu využiť.

Nič z toho nevyžaduje dokonalý stroj ani neprerušovanú dodávku elektriny. Vyžaduje si to sklovitý stav namiesto ľadu a teplotu bezpečne pod sklovým prechodom. Vyžaduje si to aj kvapalinu, ktorá sa pri vare prirodzene udržiava na vhodnej teplote. V tom spočíva praktická výhoda -196°C: pri tejto teplote môže kryokonzervovaný človek zostať dlhodobo uchovaný bez aktívneho chladenia.

Ďalšie čítanie

• Prečo nemôžeme kryokonzervovať človeka nažive?
• Konzervácia bez zmrazenia
• Prečo v súčasnosti nie je oživenie možné?
• Základný slovník pojmov