Alles erstarrt in der eisigen Kälte, würde aber nach dem Auftauen zu neuem Leben erwachen. Vorausgesetzt die Proben sind nach dem richtigen Protokoll eingefroren worden. Mit diesen Fragen beschäftigen sich gleich mehrere Forschergruppen in Deutschland. Eile ist geboten, weil Wissenschaftler biologische Ersatzstoffe wie Haut und Knorpel auf Vorrat produzieren und entsprechend kryokonservieren möchten. Zu ihren Wünschen zählt aber auch das Einfrieren ganzer Organe und kleiner Tiere. Bisher aber mit nur geringem Erfolg. Das größte bisher erfolgreich kryokonservierte Lebewesen hat nur 30.000 Zellen.
Günter Fuhr:
" Es ist nicht ausgeschlossen, das würde ein Naturwissenschaftler auch nie sagen, dass man einen größeren Organismus nicht einfrieren und wieder zum Leben erwecken kann. Im Moment fehlen uns aber die ganz wesentlichen Komponenten."
Birgit Glasmacher:
" Ich würde überlegen, wo Sie Ihre Vision hinstellen: Wenn Ihre Vision jetzt wirklich in die Richtung geht lebenslanges Leben, da kann ich nicht mitreden. Wenn Sie aber sagen, ich möchte Methoden entwickeln, Menschen von Krankheiten zu heilen oder wenn Sie daran denken, dass Organspenden in einem geringes Zeitfenster weitergegeben werden müssen, und da könnte ich durch Kryotechnik ein Herz einen Monat lang lagern und in dem Monat hätte ich Zeit, den optimalen Empfänger für mein Spenderherz zu finden, da sage ich ja!"
Frank Obergrießer:
" Der einzige Anwendungsfall, einen lebenden Menschen einzufrieren und wieder aufzutauen, den ich mir vorstellen könnte, wären interstellare Reisen, die einfach zu lange dauern, als man das in einem Menschenleben machen kann. Ich persönlich hätte keine Lust in 100 oder 200 Jahren hier wieder weiter leben zu müssen, ich kenn keinen mehr, ich denke, das ist eher ein soziales Problem. "
Sulzbach bei Saarbrücken, elf Uhr vormittags. Am Rande eines Industriegebiets hat vor drei Jahren das Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik Europas modernste Forschungs- und Demonstrationskryobank eingerichtet. In den Hallen eines ehemaligen Möbellagers, voll gestopft mit Sofas und Stühlen. EurocryoSaar heißt der Standort heute, vor den sich wie ein Wahrzeichen ein weithin sichtbarer Stickstofftank in den Himmel reckt.
.
" Das hier ist die Halle, in der letztlich die Behälter stehen, in denen die Proben eingelagert werden,"
sagt Uwe Schön, Mitarbeiter der Kryobank, und geht über glänzenden in tiefem Blau gehaltenen Boden zu den Lagertanks.
" Das sind Edelstahlbehälter, die einen Vorratsraum bieten, die werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt und die Lagerung der Zellproben findet bei Temperaturen zwischen Minus 150 und Minus 196 Grad Celsius in der Gasphase des Stickstoffs statt."
Ein Lagerraum für die Ewigkeit: Zwei Reihen mit jeweils acht Tonnen, ordentlich aufgestellt in Reih und Glied, an den matt schimmernden Stahlwänden schlängelt sich Elektronik, Monitore geben Auskunft über den Zustand der eingefrorene Proben. Die Sulzbacher Kryobiotechnologen sind stolz auf ihre Preziosen.
Stammzellen seltener Haus- und Wildtierrassen wie die des Glan- und des Hinterwälder-Rind lagern in den Stahltanks, Proben des Guanaco-Lamas sind vertreten, der Weissnackenkranich, der Löffler, Fischgewebe, sowie Samen seltener saarländischer Obstbäume. Leben im Stillstand, eingefroren für den Fall, dass in ferner Zukunft bestimmte Tierarten aussterben. Mit den kryokonservierten Zellen lassen sich Tiere klonen und Obstbäume züchten. Uwe Schön:
" Wir sehen jetzt in ein solches Edelstahlbehältnis hinein, das Behältnis ist sehr stark isoliert, das heißt die Außenwände haben normale Raumtemperatur. Man muss sich das vorstellen wir eine Thermoskanne, die Isolation wird über vakuumisolierte Wände erzeugt, diese Behälter können sehr effektiv diese Kälte speichern, ähnlich wie man das bei der Thermoskanne hat, wo man den warmen Kaffee ja in der Temperatur speichern möchte."
Weiß wabert gasförmige Stickstoff an der Öffnung der Edelstahltonne. Oben herrschen Plus 20 Grad Celsius, ein paar Zentimeter tiefer Minus 140 Grad.
Kryokonservierung ist kein natürlicher Prozess, auf der Erde kommen gerade mal Minus 80 Grad Celsius vor. Tiefere Temperaturen lassen sich nur mit ausgefeilter Technik erreichen, vor allem mit flüssiger Luft. Den Durchbruch dafür schaffte 1895 der fränkische Ingenieur Carl Linde mit einem höchst trickreichen Verfahren. Er führte die Gegenstromkühlung ein, bei der sich Druckluft über eine Drosselklappe entspannt und abkühlt. Diese abgekühlte Luft kühlt ihrerseits die ankommende Druckluft. Die derart noch stärker abgekühlte Luft wird wiederum im Gegenstromkühler zu Vorkühlung der ankommenden Druckluft verwendet und so weiter. Kurz: Kalte Luft kühlt sich in einem Kreislauf gegenseitig auf Minus 193 Grad Celsius herunter - bei dieser Temperatur verflüssigt Luft. Kryotechnologen - "Kryos" stammt aus dem Griechischen und bedeutet Kälte oder Eis - Kryotechnologen nutzen heute flüssigen Stickstoff, der bei Minus 196 Grad Celsius verdampft - eine Temperatur, bei der alle Lebensvorgänge erstarren aber nicht zwangsläufig ersterben. Vorausgesetzt, der Weg einer biologischen Probe aus warmen Gefilden in die eisige Welt des Kryotanks verläuft nicht zu abrupt. Biologische Proben einfach in den flüssigen Stickstoff zu werfen, wäre der schlimmste Fall. Professor Günter Fuhr, Direktor des Fraunhofer-Instituts für biomedizinische Technik in St. Ingbert:
Als Physiker würde man erst mal meinen, das sollte alles in der Position bleiben, wo es sich befindet, schockgefrieren so schnell wie möglich sollte die beste Variante sein. Das ist es aber nicht! Man lernt dann aber sehr schnell, dass zum Beispiel bei Null Grad die Physiologie, die Stoffwechselvorgänge der Zellen abgeschaltet werden, das macht die Zelle in einem sehr geordneten Maß.
Weshalb, sagt Fuhr, Gefrierautomaten bei Null Grad Celsius eine mehrstündige Pause einlegen: Die Zellen fahren kontrolliert ihre biologischen Programme herunter, der Stoffwechsel schaltet auf "Notbetrieb", die Zelle muss überleben - mehr nicht. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, beginnt in mehreren Phasen der eigentliche Gefrierprozess. Fuhr:
" Einmal die Phase vor der Kristallisation, es ist nämlich sehr wichtig, wo kristallisiert das Wasser zuerst, innerhalb der Zelle oder außerhalb der Zelle, ein Problem ist zum Beispiel, wenn es innerhalb der Zelle passiert, dann geht Wasser aus der Zelle heraus, die dehydriert dadurch, das dürfen nicht mehr als 30 Prozent sein, sonst überlebt die Zelle das nicht, als da müssen Sie ein bestimmtes Zeitintervall einhalten. Nachdem die Eisbildung innen und außen stattgefunden hat, können Sie sehr schnell vorgehen, beispielsweise bei Minus 50 bis Minus 130 Grad, aber viele vergessen, dass immer noch viele Eiskristalle umkristallisieren, also kleine Eiskristalle verschwinden und zu größeren Eiskristallen werden bis zu Temperaturen von Minus 100 bis Minus 120 Grad, das glaubt man nicht."
Das Einfrieren biologischer Proben ist ein komplizierter Vorgang, er entscheidet aber über Erfolg und Misserfolg einer Kryokonservierung. Zu rasche oder zu langsame Temperatursprünge zerstören die Zellen - was freilich erst nach dem Auftauen sichtbar wird. Aus diesem Grund investieren Wissenschaftler viel Forschung in genau diesen Vorgang.
Helmholtz-Institut für biomedizinische Technik an der RWTH Aachen. Birgit Glasmacher, Leiterin der Abteilung Kryobiologie und Biomaterialien, sitzt vor einem Spezialmikroskop mit integrierter Infrarotkamera, die das Einfrieren von Zellen sichtbar macht. Es gibt nur wenige Zellen, die hier nicht schon untersucht worden sind: Fettgewebe, rote Blutkörperchen oder wie in diesem Fall Herzmuskel-Zellen. Jede Zellart braucht dabei ihr eigenes Kryoprotokoll. Zurzeit kühlt der Gefrierautomat die Probe um exakt ein Grad Celsius pro Minute herunter. Birgit Glasmacher:
" Wenn Sie jetzt zu langsam oder sehr langsam einfrieren würden, sagen wir mal auch diese Herzmuskel-Zellen, dann könnten Sie jetzt am Mikroskop beobachten, wie die schrumpfen. Die schrumpfen deshalb, weil außerhalb der Zelle das Wasser anfängt zu gefrieren, die Salzkonzentration sich erhöht und die Zelle muss das ausgleichen durch Osmose, das heißt, sie gibt Wasser ab, und dieses Wasser abgeben bedeutet, dass die Zelle schrumpft, und diesen Schrumpfungsprozess können Sie am Mikroskop beobachten."
Ein heikler Vorgang: Wenn Zellen mehr als 30 Prozent Wasser verlieren, nehmen sie Schaden. Den nehmen sie aber auch, wenn die Abkühlrate zu hoch eingestellt wird. Glasmacher:
" Wenn Sie zu schnell abkühlen, gefriert Ihnen das Eis so schnell, dass es auch in den Zellen zu Eis gefriert. Und wenn Sie hier zum Beispiel mal sehen, wenn wir Herzmuskel-Zellen anschauen, wenn die in der Zelle Eis bilden, können Sie da ganz schön hier beobachten, die werden dann nämlich schwarz."
Birgit Glasmacher hat den Monitor des Kryomikroskops eingeschaltet. Überdimensional groß zeigt er die erstarrten Herzmuskel-Zellen, einige kaum erkennbar, fast durchsichtig mit zarten Rändern, andere dagegen liegen wie schwere schwarze Steine im Eis.
Diese Zellen sind biologisch tot, gleichgültig bei welcher Temperatur sie gelagert würden.
Mittlerweile betrachtet Birgit Glasmacher eine zweite Probe eingefrorener Herzmuskel-Zellen. Keine schwarzen Kerne verunstalten das Bild, still und starr liegen die unregelmäßig geformten Winzlinge in einer ebenfalls tief gefrorenen Suspension, dem die Aachener Forscherin ein Gefrierschutzmittel zugemischt hat, auch Kryoprotektiva genannt. Ohne Gefrierschutzmittel wie Glykol ist keine Kryokonservierung möglich! Gefrierschutzmittel reduzieren die Zahl der Eiskristalle beziehungsweise zögern ihre Entstehung hinaus. Das ist notwendig, weil Eiskristalle die Zellen zerstören. Dieses Verfahren haben Kryotechnologen übrigens aus der Natur abgekupfert. Einige Frosch-, Fisch- und Insektenarten überleben in den eisigen Regionen der Erde strengste Winter, selbst Temperaturen von Minus 30 bis 40 Grad machen ihnen nichts aus. Birgit Glasmacher:
" Die Tiere bereiten sich auf diese tiefen Temperaturen vor, indem sie vorher zum Beispiel sehr viel Wasser loswerden, das haben wir bei der Zelle ja auch gesehen, die wird das Wasser ja auch los, was die Tiere aber auch machen, das können wir mit unseren menschlichen Zellen leider nicht, sie produzieren selber Gefrierschutzmittel. Und wenn wir jetzt zurückkommen auf unseren Prozess mit den Herz-Muskel-Zellen, wir könnten die noch schonender einfrieren, wenn wir in diese Lösung, die Sie hier sehen, Gefrierschutzadditive zugefügt hätten."
Gefrierschutzmittel wirken innerhalb und außerhalb der Zellen, zur letzten Gruppe zählen Substanzen mit großen Molekülen wie Zucker oder Glykol, die aber nicht frei von Nebenwirkungen sind. Letztlich bewegen sich Kryobiologen auf einem schmalen Grad: Viel Gefrierschutzmittel reduziert die Zahl der Eiskristalle drastisch, vergiftet aber die Zelle; ist dagegen die Konzentration zu gering, zerstören Eiskristalle die Probe.
Birgit Glasmacher zeigt auf ein Schaubild. Sechs Proben habe man gleichzeitig eingefroren, alle Proben seien identisch vorbereitet und auf exakt Plus vier Grad Celsius Ausgangstemperatur eingestellt worden, alle sechs Proben wurden zum gleichen Zeitpunkt mit dem gleichen Kryoprotokoll abgekühlt - trotzdem setzte die Eiskristallisation zu jeweils unterschiedlichen Zeiten ein!
Für die Zellen hat das weit reichende Konsequenzen, erklärt Glasmacher:
" Weil während der Kristallisation wird die so genannte Latentwärme frei, die Temperatur in der Zelle erhöht sich wieder, je nach dem an welcher Temperatur die Nukleation gestartet hat, ist diese Latentwärme unterschiedlich hoch, sie sollte aber möglichst niedrig sein, damit die Zelle diesen ganzen Prozess vital übersteht."
Als Ursache für dieses höchst ungünstige Verhalten haben Forscher folgendes herausgefunden.
" Das liegt daran, dass die Wassermoleküle sich stochastisch bewegen, "
dass sie also chaotisch durcheinander wirbeln,
" und je nach dem wie der Zustand der Moleküle dann ist an unterschiedlichen Temperaturen, die tatsächliche Eiskristallbildung startet,"
so Birgit Glasmacher.
Mit zwei Methoden - einer mühseligen und einer eleganten - können Kryobiologen den Start der Eiskristallisation bestimmen. Bei der mühseligen beobachten sie unter dem Mikroskop, wie sich die Zellen während des Einfrierens verhalten. Ist die Temperatur tief genug gefallen, ohne dass sich Eiskerne im Innern der Zelle gebildet haben, setzen sie mit einer unterkühlten Nadel einen Impuls, das heißt, sie pieksen kurz in die Lösung mit den Zellen. Seeding heißt das Verfahren, bei dem Eiskristalle aus der Luft in die Lösung gebracht werden und dort gezielt die Kristallisation auslösen. Bei der eleganten Variante setzen die Forscher ebenfalls ein Impuls, allerdings leiten sie jetzt die Kristallisation per Knopfdruck ein.
" Dieses auf Knopfdruck einleiten heißt, das Setzen eines Hochfrequenzpulses, ungefähr 3.500 Volt für eine Millisekunde und dann startet die Kristallisation. Und diesen "Knopfdruck" machen wir eben zu der gewünschten Probentemperatur."
Zurück nach Sulzbach in die Forschungs- und Demonstrationskryobank des Fraunhofer-Instituts für biomedizinische Technik. Uwe Schön steht auf einer kleinen Leiter und beugt sich über die Öffnung eines der 16 Edelstahlbehälter. Weißer Stickstoffdampf quillt über den Rand und löst sich augenblicklich der warmen Luft auf:
" Ich zieh mal eines dieser Regale raus, in das letztendlich diese Zellproben eingelagert werden. Diese Regale vereisen an den Oberflächen, das bedingt die Luftfeuchtigkeit, die sofort bei diesen niedrigen Temperaturen kondensiert und es bilden sich im Laufe der Zeit, im Laufe der Jahre oder Jahrzehnte, in denen dieses Regal immer wieder an die feuchte Umgebungsluft gebracht wird, regelrecht dicke Eiskrusten auf diesen Oberflächen. Das stört natürlich insgesamt die technische Handhabung dieser Regale aber auch der Probengefäße, man denke da nur an Barcodes, die man aufbringen möchte, die vereisen natürlich genauso, und damit wird das ganze von der Maschinenlesbarkeit her verschlechtert. "
Außerdem besteht die Gefahr, dass einzelne Proben sich über die kritische Schwelle von Minus 130 Grad hinaus erwärmen. Dann haben Wassermoleküle wieder genug Energie, kleine Eiskristalle verschmelzen zu großen. Selbst bei so tiefen Temperaturen würde das biologische Material zerstört.
Frank Obergrießer, Leiter der Forschungs- und Demonstrationskryobank, hat für dieses Problem eine Lösung entwickelt. Über der Entnahmeluke des Tanks befindet sich ein schwenkbarer Turm mit eingelassenen Handschuhen - vergleichbar mit Arbeitsplätzen in Hochrisikolaboren. Um eine Probe zu entnehmen, setzt er den Turm über die Luke. Diese Schleuse ist auf Minus 100 Grad Celsius herunter gekühlt.
" Das ist so ein Kompromiss zwischen der optimalen Lagertemperatur für die Proben und noch Handelbarkeit, weil wir das ganze manuell über Handschuhe, über Eingriffe handhaben, solche Dinge haben wir aufgebaut und das ist mit unsere Hauptauftaufgabe, dieses ganze Equipment der Kryotechnologie weiter zu entwickeln. Da hat sich in den letzten 50 Jahren wenig getan, diese Lagergefäße, die sind irgendwann mal im 17. Jahrhundert erfunden worden (lacht), die Herstellung ist natürlich verbessert worden, aber am eigentlichen Behältnis wurde nichts mehr verändert."
Eine simple und funktionierende Lösung ist das, ingenieurtechnisch aber keine ausgereifte. Wie wär's mit einem kleinen Roboter? Er sitzt im Tank, wird von außen über Funk angesteuert und reicht auf Knopfdruck Probe 639 durch einen schmalen Schlitz? Obergrießer:
" Das wäre natürlich unser Wunschtraum! Wir haben da aber das Problem, dass wir da mit Temperatursprüngen von über 200 Grad zu tun haben, von Raumtemperatur auf Minus 150, Minus 180 Grad, da werden Sie kein Gelenk finden, ein technisches Gelenk, das diese beiden Temperaturen gut mitmacht. Das entwickeln wir gerade, denn das ist natürlich unser Wunschziel, so ein Schlitz oder CD-Laufwerk, das ich da nur auf einen Knopf drücke und die entsprechende Probe kommt aus dem Tank raus."
Noch gibt es kein bewegliches System, das diesen Temperaturen standhält. Selbst die Raumfahrt bietet nur begrenzt Lösungen: Im Orbit ist es einfach nicht kalt genug! Beim ersten Weltraumspaziergang des Amerikaners Edward White am 3. Juni 1965 hatte die Sonnen-abgewandte Seite seines Raumanzuges eine Temperatur von Minus 101 Grad Celsius. Auf der Sonnen-zugewandten Seite schmorte White allerdings bei Plus 121 Grad Für den Roboter in den Kryotanks hat Frank Obergrießer immerhin schon ein Grundkonzept:
" Die ganze Aktorik möglichst nach außen ins Warme und im Tank möglichst wenig bewegte Teile."
Weitgehend gelöst ist dagegen ein anderes Problem. Wie lassen sich die Dokumentationen über die jeweiligen Proben sichern? Wie garantieren die Kryobanker, dass im Wust vieler Millionen Proben auch nach zehn Jahren die Tiegelchen nicht verwechselt werden? Immerhin geht es um Zeiträume von vielleicht mehreren Generationen. Kryoinformatik heißt das Schlagwort. Jede Probe bekommt einen von außen les- und beschreibbaren Chip, erklärt Obergrießer:
" Dort sind dann zum Beispiel Patientendaten drauf, wenn man mal an den medizinischen Bereich denkt, die natürlich verschlüsselt auf dem Chip sind, da sind darauf da Lagerprotokoll, also wie ist der Einfriervorgang gewesen, da sind Analysedaten von den Proben drauf, wir können die Rechtslage mit abspeichern, was zum Beispiel der Patient verfügt hat, was nach seinem Tod mit den eingelagerten Proben passiert. Das ganze ist also immer an der Probe, der Datensatz kann also niemals vermischt werden, dieses Zusammenpassen ist immer gewährleistet, weil der Chip immer an der Probe hängt."
Zurück zum Helmholtz-Institut für biomedizinische Technik an der RWTH Aachen. Birgit Glasmacher beschäftigt sich nicht nur mit Einfriervorgängen, sondern auch mit Biomaterialien. Ohne sie könnten komplexere Strukturen wie Haut oder Knorpel nicht kryokonserviert werden. Biomaterialien werden als Träger eingesetzt, auf denen Zellen vor dem Einfrieren herangezüchtet werden. Daraus ergeben sich gleich zwei Forderungen: Die jeweiligen Zellen fühlen sich auf dem Biomaterial wohl, außerdem lässt sich der der Träger problemlos einfrieren. Birgit Glasmacher:
" Wir sind jetzt in einem unserer Zelllabore und stehen vor einer Gefriertrocknungsmaschine. In dieser Anlage befinden sich so genannte Scaffolds, die man in der Gewebezüchtung brauchen kann, im so genannten Tissue Engineering."
Kleine weiß-gelbliche tief gefrorene Stückchen - im ersten Moment erinnern sie an Kaminanzünder - liegen in Glasschalen. Stunde um Stunde wird ihnen mit Druck das im Eis gebundene Wasser herausgepresst, bis sie schließlich durch und durch trocken sind.
Gefriergetrocknete Scaffolds sind Trägermaterialien für Tissue Engineering Produkte, wie sie in der modernen Medizin immer wichtiger werden. Das Tissue Engineering beschäftigt sich mit dem Züchten biologischer Ersatzstoffe wie Haut, Knochen und Knorpel. Solche komplexen biologischen Systeme inklusive Trägermaterialien einzufrieren, zählt zur hohen Kunst der Kryotechnologen.
" Sie haben die biologische Komponente, die aus den Zellen besteht, Sie haben die Komponente des Trägermaterials, die zum Teil biologisch, zum künstlich sein kann, also mehr chemische oder Polymernatur und dann haben sie darin das viele Wasser,"
erläutert Gabriele Spoerl, Tieftemperaturphysikerin am Institut für Luft- und Kältetechnik in Dresden. Die Haut oder der Knochen gefrieren nicht gleichmäßig durch, weil biologische Zellen, Wasser und Kunststoffe Wärme unterschiedlich schnell leiten. Fatal ist dieses Phänomen deshalb, weil beim ungleichmäßigen Auskühlen sofort Eiskristalle entstehen. Spoerl:
" Und irgendwann kristallisiert das System aus und diese Auskristallisierung zerstört das biologische Gewebe und Sie haben wenn die Kristallisierung einsetzt, dass sich die osmotischen Verhältnisse ändern und dann eine Anreicherung von Salzen und dergleichen in den Zellen passiert,"
was die Zellen zerstört und den biologischen Ersatzstoff unbrauchbar macht! Eine Lösung des Problems sind auch hier Gefrierschutzmittel - oder aber andere Trägermaterialien.
" Man nimmt Naturstoffe, zum Beispiel die Kollagene oder Hydroxylapathit, das ist zwar kein biologischer Stoff, aber der wird vom Körper auch gut toleriert. Man ist einfach drauf aus, bioabbaubare Trägermaterialien zu haben."
Zurzeit testen die Dresdner Forscher alle möglichen Materiale auf ihre Brauchbarkeit, ein echter Durchbruch steht noch aus.
" Die Probleme entstehen auch dadurch, dass man nicht genau sagen kann, wie viel Feuchtigkeit denn nun in einem solchen Tissue Engineering Produkt ist, das heißt, wie viel Eis sich denn überhaupt bilden kann, wie viel schädliches Eis entsteht, wie groß die Kristalle sich ausbilden und ob die Zellen überhaupt auf diesem Trägermaterial haften bleiben."
Sulzbach bei Saarbrücken in der Forschungs- und Demonstrationskryobank des Fraunhofer-Instituts für biomedizinische Technik. Frank Obergrießer öffnet die Tür zum Kontrollraum. Glaswände trennen ihn ab zur Halle mit den Stahltanks, ein paar Monitore auf Schreibtischen, rechts an der Wand sind einige größere Rechner untergebracht. Von hier aus werden die 16 Kryotanks rund um die Uhr überwacht, hier befindet sich der Computer mit dem Archiv.
Die Stammzellen, seltener Tierarten, Pflanzensamen, einige menschliche Pankreas-Zellen - und das größten bisher erfolgreich eingefrorenen Lebewesen. Frank Obergrießer:
" Wir sehen hier einen Kandidaten, den wir eingefroren haben, das ist ein Bärtierchen, das ist ein Moosbewohner, den Sie überall bei uns im Moos finden, der trocknet in trockenen Zeiten im Sommer stark ein und kann dadurch ziemlich widrige Umstände überleben, ernährt sich von Pflanzenzellen und Rädertierchen und so was, uns ist es nun gelungen, ihn in Anführungszeichen "gequollenen" Zustand einzufrieren, dann haben wir ihn wieder aufgetaut und er hat wieder eitergezappelt, das dürfte so die Grenze sein des Machbaren, was man zur Zeit einfrieren kann, der besteht aus etwa 30.000 Zellen, das heißt, da sind wir noch weit entfernt von Organen oder ganzen Individuen, die einzufrieren."
30.000 Zellen - das ist wahrlich wenig, aber es ist der Anfang eines Weges, von dem aber letztlich niemand weiß, wo er endet. Lassen sich irgendwann Mäuse einfrieren und mit Erfolg wieder auftauen? Katzen? Hunde? Die Fraunhofer Kryoforscher bekommen wöchentlich entsprechende Anfragen - und weisen sie alle zurück. Höhere Lebewesen lassen sich nicht einfrieren! Günter Fuhr:
" Es hängt damit zusammen, dass dieses Gefrierschutzmittel in die Zellen hinein diffundieren muss, das muss möglichst ein sanfter und physiologischer Prozess sein und gleichzeitig muss auch die Wärme nach einem vorgebbaren Programm herausgebracht werden. Und jetzt merken Sie das Problem. Wenn ich mir einen Würfen von einem Zentimeter mal einem Zentimeter vorstelle, also einen Fleischwürfel, dann kann ich die Wärme nur von außen abführen oder ich zerstöre etwas oder ich muss andere Hilfsmittel benutzen. Und genau so diffundieren die Gefrierschutzmittel von außen nach innen, das heißt innen haben die Zellen ganz andere Bedingungen als außen. Das ist der Punkt, warum ein größerer Organismus äußerlich zwar ganz gut erhalten wäre, aber dort, wo es drauf ankommt, in den Organen, im Gehirn, in den dichteren Gewebeteilen, dort wären ganz klar Gefrierzerstörungen zu spüren."
Natürlich animiert die Kryotechnologie zu Visionen vom ewigen Leben - Visionen, denen sich zum Beispiel die Kryoniker hingeben. Sie lassen sich nach ihrem Tod einfrieren in der Hoffnung, dass in fernen Zeiten die medizinische Forschung sie wieder zum Leben erweckt. Leider nur müssen die Mediziner im Jahre 2.500 gleich zwei Probleme lösen: Einem schon Gestorbenen lebendig machen und ihn dann noch von seiner Krankheit heilen. Für Günter Fuhr ist das Science-Fiction, hat aber auch seinen Reiz:
" Ich kann das auch nachvollziehen und ich kann Ihnen sagen, ich würde mich auch gerne in 300 oder 500 Jahren mich mit Kollegen unterhalten, was ist denn nun raus gekommen bei der Erforschung der Biologie, wie hängt das mit dem Leben zusammen, das kann ich nachvollziehen. Auf der anderen Seite muss man aber sagen, wären wir dem mental gewachsen, wollen wir das überhaupt, was wäre der Sinn, wer wird dann eingefroren? Das zweite ist, es geht sicherlich nicht, nachdem man gestorben ist, das müsste bevor man gestorben ist, erfolgen, und das ist ein juristisch und ethisch in den nächsten Jahrzehnten kaum zu klärendes Gebiet. Sie müssten sich auch überlegen, wie kämen Sie in einer solchen Welt zurecht, mal ganz abgesehen wie Sie sich fühlen, wenn Sie wieder auftauen."
Was bleibt sind realistische Anwendungen der Kryotechnik: Keine Tiere, keine Menschen, aber:
" Ganze Tumore zum Beispiel, damit man bestimmte Zelllinien wieder gewinnen kann, bis hin zu Organen, das wäre bei Transplantationen eine große Hilfe, wenn man eine Niere oder Leber tatsächlich einfrieren könnte, das würde das Problem der Logistik stark entzerren. Aber das ist ein weiter Schritt, weil dort brauchen wir natürlich Gefrierschutzmittel, die dann vollkommen verträglich sind, und der nächst Schritt wäre dann natürlich schon, das man sagt, wenn es möglich ist - es müssen ja nicht Menschen sein, auch kein Hund oder ein Schwein - aber doch kleinere Organismen einzufrieren und diese als Referenzprobe da liegen zu haben, warum nicht?!"
Günter Fuhr:
" Es ist nicht ausgeschlossen, das würde ein Naturwissenschaftler auch nie sagen, dass man einen größeren Organismus nicht einfrieren und wieder zum Leben erwecken kann. Im Moment fehlen uns aber die ganz wesentlichen Komponenten."
Birgit Glasmacher:
" Ich würde überlegen, wo Sie Ihre Vision hinstellen: Wenn Ihre Vision jetzt wirklich in die Richtung geht lebenslanges Leben, da kann ich nicht mitreden. Wenn Sie aber sagen, ich möchte Methoden entwickeln, Menschen von Krankheiten zu heilen oder wenn Sie daran denken, dass Organspenden in einem geringes Zeitfenster weitergegeben werden müssen, und da könnte ich durch Kryotechnik ein Herz einen Monat lang lagern und in dem Monat hätte ich Zeit, den optimalen Empfänger für mein Spenderherz zu finden, da sage ich ja!"
Frank Obergrießer:
" Der einzige Anwendungsfall, einen lebenden Menschen einzufrieren und wieder aufzutauen, den ich mir vorstellen könnte, wären interstellare Reisen, die einfach zu lange dauern, als man das in einem Menschenleben machen kann. Ich persönlich hätte keine Lust in 100 oder 200 Jahren hier wieder weiter leben zu müssen, ich kenn keinen mehr, ich denke, das ist eher ein soziales Problem. "
Sulzbach bei Saarbrücken, elf Uhr vormittags. Am Rande eines Industriegebiets hat vor drei Jahren das Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik Europas modernste Forschungs- und Demonstrationskryobank eingerichtet. In den Hallen eines ehemaligen Möbellagers, voll gestopft mit Sofas und Stühlen. EurocryoSaar heißt der Standort heute, vor den sich wie ein Wahrzeichen ein weithin sichtbarer Stickstofftank in den Himmel reckt.
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" Das hier ist die Halle, in der letztlich die Behälter stehen, in denen die Proben eingelagert werden,"
sagt Uwe Schön, Mitarbeiter der Kryobank, und geht über glänzenden in tiefem Blau gehaltenen Boden zu den Lagertanks.
" Das sind Edelstahlbehälter, die einen Vorratsraum bieten, die werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt und die Lagerung der Zellproben findet bei Temperaturen zwischen Minus 150 und Minus 196 Grad Celsius in der Gasphase des Stickstoffs statt."
Ein Lagerraum für die Ewigkeit: Zwei Reihen mit jeweils acht Tonnen, ordentlich aufgestellt in Reih und Glied, an den matt schimmernden Stahlwänden schlängelt sich Elektronik, Monitore geben Auskunft über den Zustand der eingefrorene Proben. Die Sulzbacher Kryobiotechnologen sind stolz auf ihre Preziosen.
Stammzellen seltener Haus- und Wildtierrassen wie die des Glan- und des Hinterwälder-Rind lagern in den Stahltanks, Proben des Guanaco-Lamas sind vertreten, der Weissnackenkranich, der Löffler, Fischgewebe, sowie Samen seltener saarländischer Obstbäume. Leben im Stillstand, eingefroren für den Fall, dass in ferner Zukunft bestimmte Tierarten aussterben. Mit den kryokonservierten Zellen lassen sich Tiere klonen und Obstbäume züchten. Uwe Schön:
" Wir sehen jetzt in ein solches Edelstahlbehältnis hinein, das Behältnis ist sehr stark isoliert, das heißt die Außenwände haben normale Raumtemperatur. Man muss sich das vorstellen wir eine Thermoskanne, die Isolation wird über vakuumisolierte Wände erzeugt, diese Behälter können sehr effektiv diese Kälte speichern, ähnlich wie man das bei der Thermoskanne hat, wo man den warmen Kaffee ja in der Temperatur speichern möchte."
Weiß wabert gasförmige Stickstoff an der Öffnung der Edelstahltonne. Oben herrschen Plus 20 Grad Celsius, ein paar Zentimeter tiefer Minus 140 Grad.
Kryokonservierung ist kein natürlicher Prozess, auf der Erde kommen gerade mal Minus 80 Grad Celsius vor. Tiefere Temperaturen lassen sich nur mit ausgefeilter Technik erreichen, vor allem mit flüssiger Luft. Den Durchbruch dafür schaffte 1895 der fränkische Ingenieur Carl Linde mit einem höchst trickreichen Verfahren. Er führte die Gegenstromkühlung ein, bei der sich Druckluft über eine Drosselklappe entspannt und abkühlt. Diese abgekühlte Luft kühlt ihrerseits die ankommende Druckluft. Die derart noch stärker abgekühlte Luft wird wiederum im Gegenstromkühler zu Vorkühlung der ankommenden Druckluft verwendet und so weiter. Kurz: Kalte Luft kühlt sich in einem Kreislauf gegenseitig auf Minus 193 Grad Celsius herunter - bei dieser Temperatur verflüssigt Luft. Kryotechnologen - "Kryos" stammt aus dem Griechischen und bedeutet Kälte oder Eis - Kryotechnologen nutzen heute flüssigen Stickstoff, der bei Minus 196 Grad Celsius verdampft - eine Temperatur, bei der alle Lebensvorgänge erstarren aber nicht zwangsläufig ersterben. Vorausgesetzt, der Weg einer biologischen Probe aus warmen Gefilden in die eisige Welt des Kryotanks verläuft nicht zu abrupt. Biologische Proben einfach in den flüssigen Stickstoff zu werfen, wäre der schlimmste Fall. Professor Günter Fuhr, Direktor des Fraunhofer-Instituts für biomedizinische Technik in St. Ingbert:
Als Physiker würde man erst mal meinen, das sollte alles in der Position bleiben, wo es sich befindet, schockgefrieren so schnell wie möglich sollte die beste Variante sein. Das ist es aber nicht! Man lernt dann aber sehr schnell, dass zum Beispiel bei Null Grad die Physiologie, die Stoffwechselvorgänge der Zellen abgeschaltet werden, das macht die Zelle in einem sehr geordneten Maß.
Weshalb, sagt Fuhr, Gefrierautomaten bei Null Grad Celsius eine mehrstündige Pause einlegen: Die Zellen fahren kontrolliert ihre biologischen Programme herunter, der Stoffwechsel schaltet auf "Notbetrieb", die Zelle muss überleben - mehr nicht. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, beginnt in mehreren Phasen der eigentliche Gefrierprozess. Fuhr:
" Einmal die Phase vor der Kristallisation, es ist nämlich sehr wichtig, wo kristallisiert das Wasser zuerst, innerhalb der Zelle oder außerhalb der Zelle, ein Problem ist zum Beispiel, wenn es innerhalb der Zelle passiert, dann geht Wasser aus der Zelle heraus, die dehydriert dadurch, das dürfen nicht mehr als 30 Prozent sein, sonst überlebt die Zelle das nicht, als da müssen Sie ein bestimmtes Zeitintervall einhalten. Nachdem die Eisbildung innen und außen stattgefunden hat, können Sie sehr schnell vorgehen, beispielsweise bei Minus 50 bis Minus 130 Grad, aber viele vergessen, dass immer noch viele Eiskristalle umkristallisieren, also kleine Eiskristalle verschwinden und zu größeren Eiskristallen werden bis zu Temperaturen von Minus 100 bis Minus 120 Grad, das glaubt man nicht."
Das Einfrieren biologischer Proben ist ein komplizierter Vorgang, er entscheidet aber über Erfolg und Misserfolg einer Kryokonservierung. Zu rasche oder zu langsame Temperatursprünge zerstören die Zellen - was freilich erst nach dem Auftauen sichtbar wird. Aus diesem Grund investieren Wissenschaftler viel Forschung in genau diesen Vorgang.
Helmholtz-Institut für biomedizinische Technik an der RWTH Aachen. Birgit Glasmacher, Leiterin der Abteilung Kryobiologie und Biomaterialien, sitzt vor einem Spezialmikroskop mit integrierter Infrarotkamera, die das Einfrieren von Zellen sichtbar macht. Es gibt nur wenige Zellen, die hier nicht schon untersucht worden sind: Fettgewebe, rote Blutkörperchen oder wie in diesem Fall Herzmuskel-Zellen. Jede Zellart braucht dabei ihr eigenes Kryoprotokoll. Zurzeit kühlt der Gefrierautomat die Probe um exakt ein Grad Celsius pro Minute herunter. Birgit Glasmacher:
" Wenn Sie jetzt zu langsam oder sehr langsam einfrieren würden, sagen wir mal auch diese Herzmuskel-Zellen, dann könnten Sie jetzt am Mikroskop beobachten, wie die schrumpfen. Die schrumpfen deshalb, weil außerhalb der Zelle das Wasser anfängt zu gefrieren, die Salzkonzentration sich erhöht und die Zelle muss das ausgleichen durch Osmose, das heißt, sie gibt Wasser ab, und dieses Wasser abgeben bedeutet, dass die Zelle schrumpft, und diesen Schrumpfungsprozess können Sie am Mikroskop beobachten."
Ein heikler Vorgang: Wenn Zellen mehr als 30 Prozent Wasser verlieren, nehmen sie Schaden. Den nehmen sie aber auch, wenn die Abkühlrate zu hoch eingestellt wird. Glasmacher:
" Wenn Sie zu schnell abkühlen, gefriert Ihnen das Eis so schnell, dass es auch in den Zellen zu Eis gefriert. Und wenn Sie hier zum Beispiel mal sehen, wenn wir Herzmuskel-Zellen anschauen, wenn die in der Zelle Eis bilden, können Sie da ganz schön hier beobachten, die werden dann nämlich schwarz."
Birgit Glasmacher hat den Monitor des Kryomikroskops eingeschaltet. Überdimensional groß zeigt er die erstarrten Herzmuskel-Zellen, einige kaum erkennbar, fast durchsichtig mit zarten Rändern, andere dagegen liegen wie schwere schwarze Steine im Eis.
Diese Zellen sind biologisch tot, gleichgültig bei welcher Temperatur sie gelagert würden.
Mittlerweile betrachtet Birgit Glasmacher eine zweite Probe eingefrorener Herzmuskel-Zellen. Keine schwarzen Kerne verunstalten das Bild, still und starr liegen die unregelmäßig geformten Winzlinge in einer ebenfalls tief gefrorenen Suspension, dem die Aachener Forscherin ein Gefrierschutzmittel zugemischt hat, auch Kryoprotektiva genannt. Ohne Gefrierschutzmittel wie Glykol ist keine Kryokonservierung möglich! Gefrierschutzmittel reduzieren die Zahl der Eiskristalle beziehungsweise zögern ihre Entstehung hinaus. Das ist notwendig, weil Eiskristalle die Zellen zerstören. Dieses Verfahren haben Kryotechnologen übrigens aus der Natur abgekupfert. Einige Frosch-, Fisch- und Insektenarten überleben in den eisigen Regionen der Erde strengste Winter, selbst Temperaturen von Minus 30 bis 40 Grad machen ihnen nichts aus. Birgit Glasmacher:
" Die Tiere bereiten sich auf diese tiefen Temperaturen vor, indem sie vorher zum Beispiel sehr viel Wasser loswerden, das haben wir bei der Zelle ja auch gesehen, die wird das Wasser ja auch los, was die Tiere aber auch machen, das können wir mit unseren menschlichen Zellen leider nicht, sie produzieren selber Gefrierschutzmittel. Und wenn wir jetzt zurückkommen auf unseren Prozess mit den Herz-Muskel-Zellen, wir könnten die noch schonender einfrieren, wenn wir in diese Lösung, die Sie hier sehen, Gefrierschutzadditive zugefügt hätten."
Gefrierschutzmittel wirken innerhalb und außerhalb der Zellen, zur letzten Gruppe zählen Substanzen mit großen Molekülen wie Zucker oder Glykol, die aber nicht frei von Nebenwirkungen sind. Letztlich bewegen sich Kryobiologen auf einem schmalen Grad: Viel Gefrierschutzmittel reduziert die Zahl der Eiskristalle drastisch, vergiftet aber die Zelle; ist dagegen die Konzentration zu gering, zerstören Eiskristalle die Probe.
Birgit Glasmacher zeigt auf ein Schaubild. Sechs Proben habe man gleichzeitig eingefroren, alle Proben seien identisch vorbereitet und auf exakt Plus vier Grad Celsius Ausgangstemperatur eingestellt worden, alle sechs Proben wurden zum gleichen Zeitpunkt mit dem gleichen Kryoprotokoll abgekühlt - trotzdem setzte die Eiskristallisation zu jeweils unterschiedlichen Zeiten ein!
Für die Zellen hat das weit reichende Konsequenzen, erklärt Glasmacher:
" Weil während der Kristallisation wird die so genannte Latentwärme frei, die Temperatur in der Zelle erhöht sich wieder, je nach dem an welcher Temperatur die Nukleation gestartet hat, ist diese Latentwärme unterschiedlich hoch, sie sollte aber möglichst niedrig sein, damit die Zelle diesen ganzen Prozess vital übersteht."
Als Ursache für dieses höchst ungünstige Verhalten haben Forscher folgendes herausgefunden.
" Das liegt daran, dass die Wassermoleküle sich stochastisch bewegen, "
dass sie also chaotisch durcheinander wirbeln,
" und je nach dem wie der Zustand der Moleküle dann ist an unterschiedlichen Temperaturen, die tatsächliche Eiskristallbildung startet,"
so Birgit Glasmacher.
Mit zwei Methoden - einer mühseligen und einer eleganten - können Kryobiologen den Start der Eiskristallisation bestimmen. Bei der mühseligen beobachten sie unter dem Mikroskop, wie sich die Zellen während des Einfrierens verhalten. Ist die Temperatur tief genug gefallen, ohne dass sich Eiskerne im Innern der Zelle gebildet haben, setzen sie mit einer unterkühlten Nadel einen Impuls, das heißt, sie pieksen kurz in die Lösung mit den Zellen. Seeding heißt das Verfahren, bei dem Eiskristalle aus der Luft in die Lösung gebracht werden und dort gezielt die Kristallisation auslösen. Bei der eleganten Variante setzen die Forscher ebenfalls ein Impuls, allerdings leiten sie jetzt die Kristallisation per Knopfdruck ein.
" Dieses auf Knopfdruck einleiten heißt, das Setzen eines Hochfrequenzpulses, ungefähr 3.500 Volt für eine Millisekunde und dann startet die Kristallisation. Und diesen "Knopfdruck" machen wir eben zu der gewünschten Probentemperatur."
Zurück nach Sulzbach in die Forschungs- und Demonstrationskryobank des Fraunhofer-Instituts für biomedizinische Technik. Uwe Schön steht auf einer kleinen Leiter und beugt sich über die Öffnung eines der 16 Edelstahlbehälter. Weißer Stickstoffdampf quillt über den Rand und löst sich augenblicklich der warmen Luft auf:
" Ich zieh mal eines dieser Regale raus, in das letztendlich diese Zellproben eingelagert werden. Diese Regale vereisen an den Oberflächen, das bedingt die Luftfeuchtigkeit, die sofort bei diesen niedrigen Temperaturen kondensiert und es bilden sich im Laufe der Zeit, im Laufe der Jahre oder Jahrzehnte, in denen dieses Regal immer wieder an die feuchte Umgebungsluft gebracht wird, regelrecht dicke Eiskrusten auf diesen Oberflächen. Das stört natürlich insgesamt die technische Handhabung dieser Regale aber auch der Probengefäße, man denke da nur an Barcodes, die man aufbringen möchte, die vereisen natürlich genauso, und damit wird das ganze von der Maschinenlesbarkeit her verschlechtert. "
Außerdem besteht die Gefahr, dass einzelne Proben sich über die kritische Schwelle von Minus 130 Grad hinaus erwärmen. Dann haben Wassermoleküle wieder genug Energie, kleine Eiskristalle verschmelzen zu großen. Selbst bei so tiefen Temperaturen würde das biologische Material zerstört.
Frank Obergrießer, Leiter der Forschungs- und Demonstrationskryobank, hat für dieses Problem eine Lösung entwickelt. Über der Entnahmeluke des Tanks befindet sich ein schwenkbarer Turm mit eingelassenen Handschuhen - vergleichbar mit Arbeitsplätzen in Hochrisikolaboren. Um eine Probe zu entnehmen, setzt er den Turm über die Luke. Diese Schleuse ist auf Minus 100 Grad Celsius herunter gekühlt.
" Das ist so ein Kompromiss zwischen der optimalen Lagertemperatur für die Proben und noch Handelbarkeit, weil wir das ganze manuell über Handschuhe, über Eingriffe handhaben, solche Dinge haben wir aufgebaut und das ist mit unsere Hauptauftaufgabe, dieses ganze Equipment der Kryotechnologie weiter zu entwickeln. Da hat sich in den letzten 50 Jahren wenig getan, diese Lagergefäße, die sind irgendwann mal im 17. Jahrhundert erfunden worden (lacht), die Herstellung ist natürlich verbessert worden, aber am eigentlichen Behältnis wurde nichts mehr verändert."
Eine simple und funktionierende Lösung ist das, ingenieurtechnisch aber keine ausgereifte. Wie wär's mit einem kleinen Roboter? Er sitzt im Tank, wird von außen über Funk angesteuert und reicht auf Knopfdruck Probe 639 durch einen schmalen Schlitz? Obergrießer:
" Das wäre natürlich unser Wunschtraum! Wir haben da aber das Problem, dass wir da mit Temperatursprüngen von über 200 Grad zu tun haben, von Raumtemperatur auf Minus 150, Minus 180 Grad, da werden Sie kein Gelenk finden, ein technisches Gelenk, das diese beiden Temperaturen gut mitmacht. Das entwickeln wir gerade, denn das ist natürlich unser Wunschziel, so ein Schlitz oder CD-Laufwerk, das ich da nur auf einen Knopf drücke und die entsprechende Probe kommt aus dem Tank raus."
Noch gibt es kein bewegliches System, das diesen Temperaturen standhält. Selbst die Raumfahrt bietet nur begrenzt Lösungen: Im Orbit ist es einfach nicht kalt genug! Beim ersten Weltraumspaziergang des Amerikaners Edward White am 3. Juni 1965 hatte die Sonnen-abgewandte Seite seines Raumanzuges eine Temperatur von Minus 101 Grad Celsius. Auf der Sonnen-zugewandten Seite schmorte White allerdings bei Plus 121 Grad Für den Roboter in den Kryotanks hat Frank Obergrießer immerhin schon ein Grundkonzept:
" Die ganze Aktorik möglichst nach außen ins Warme und im Tank möglichst wenig bewegte Teile."
Weitgehend gelöst ist dagegen ein anderes Problem. Wie lassen sich die Dokumentationen über die jeweiligen Proben sichern? Wie garantieren die Kryobanker, dass im Wust vieler Millionen Proben auch nach zehn Jahren die Tiegelchen nicht verwechselt werden? Immerhin geht es um Zeiträume von vielleicht mehreren Generationen. Kryoinformatik heißt das Schlagwort. Jede Probe bekommt einen von außen les- und beschreibbaren Chip, erklärt Obergrießer:
" Dort sind dann zum Beispiel Patientendaten drauf, wenn man mal an den medizinischen Bereich denkt, die natürlich verschlüsselt auf dem Chip sind, da sind darauf da Lagerprotokoll, also wie ist der Einfriervorgang gewesen, da sind Analysedaten von den Proben drauf, wir können die Rechtslage mit abspeichern, was zum Beispiel der Patient verfügt hat, was nach seinem Tod mit den eingelagerten Proben passiert. Das ganze ist also immer an der Probe, der Datensatz kann also niemals vermischt werden, dieses Zusammenpassen ist immer gewährleistet, weil der Chip immer an der Probe hängt."
Zurück zum Helmholtz-Institut für biomedizinische Technik an der RWTH Aachen. Birgit Glasmacher beschäftigt sich nicht nur mit Einfriervorgängen, sondern auch mit Biomaterialien. Ohne sie könnten komplexere Strukturen wie Haut oder Knorpel nicht kryokonserviert werden. Biomaterialien werden als Träger eingesetzt, auf denen Zellen vor dem Einfrieren herangezüchtet werden. Daraus ergeben sich gleich zwei Forderungen: Die jeweiligen Zellen fühlen sich auf dem Biomaterial wohl, außerdem lässt sich der der Träger problemlos einfrieren. Birgit Glasmacher:
" Wir sind jetzt in einem unserer Zelllabore und stehen vor einer Gefriertrocknungsmaschine. In dieser Anlage befinden sich so genannte Scaffolds, die man in der Gewebezüchtung brauchen kann, im so genannten Tissue Engineering."
Kleine weiß-gelbliche tief gefrorene Stückchen - im ersten Moment erinnern sie an Kaminanzünder - liegen in Glasschalen. Stunde um Stunde wird ihnen mit Druck das im Eis gebundene Wasser herausgepresst, bis sie schließlich durch und durch trocken sind.
Gefriergetrocknete Scaffolds sind Trägermaterialien für Tissue Engineering Produkte, wie sie in der modernen Medizin immer wichtiger werden. Das Tissue Engineering beschäftigt sich mit dem Züchten biologischer Ersatzstoffe wie Haut, Knochen und Knorpel. Solche komplexen biologischen Systeme inklusive Trägermaterialien einzufrieren, zählt zur hohen Kunst der Kryotechnologen.
" Sie haben die biologische Komponente, die aus den Zellen besteht, Sie haben die Komponente des Trägermaterials, die zum Teil biologisch, zum künstlich sein kann, also mehr chemische oder Polymernatur und dann haben sie darin das viele Wasser,"
erläutert Gabriele Spoerl, Tieftemperaturphysikerin am Institut für Luft- und Kältetechnik in Dresden. Die Haut oder der Knochen gefrieren nicht gleichmäßig durch, weil biologische Zellen, Wasser und Kunststoffe Wärme unterschiedlich schnell leiten. Fatal ist dieses Phänomen deshalb, weil beim ungleichmäßigen Auskühlen sofort Eiskristalle entstehen. Spoerl:
" Und irgendwann kristallisiert das System aus und diese Auskristallisierung zerstört das biologische Gewebe und Sie haben wenn die Kristallisierung einsetzt, dass sich die osmotischen Verhältnisse ändern und dann eine Anreicherung von Salzen und dergleichen in den Zellen passiert,"
was die Zellen zerstört und den biologischen Ersatzstoff unbrauchbar macht! Eine Lösung des Problems sind auch hier Gefrierschutzmittel - oder aber andere Trägermaterialien.
" Man nimmt Naturstoffe, zum Beispiel die Kollagene oder Hydroxylapathit, das ist zwar kein biologischer Stoff, aber der wird vom Körper auch gut toleriert. Man ist einfach drauf aus, bioabbaubare Trägermaterialien zu haben."
Zurzeit testen die Dresdner Forscher alle möglichen Materiale auf ihre Brauchbarkeit, ein echter Durchbruch steht noch aus.
" Die Probleme entstehen auch dadurch, dass man nicht genau sagen kann, wie viel Feuchtigkeit denn nun in einem solchen Tissue Engineering Produkt ist, das heißt, wie viel Eis sich denn überhaupt bilden kann, wie viel schädliches Eis entsteht, wie groß die Kristalle sich ausbilden und ob die Zellen überhaupt auf diesem Trägermaterial haften bleiben."
Sulzbach bei Saarbrücken in der Forschungs- und Demonstrationskryobank des Fraunhofer-Instituts für biomedizinische Technik. Frank Obergrießer öffnet die Tür zum Kontrollraum. Glaswände trennen ihn ab zur Halle mit den Stahltanks, ein paar Monitore auf Schreibtischen, rechts an der Wand sind einige größere Rechner untergebracht. Von hier aus werden die 16 Kryotanks rund um die Uhr überwacht, hier befindet sich der Computer mit dem Archiv.
Die Stammzellen, seltener Tierarten, Pflanzensamen, einige menschliche Pankreas-Zellen - und das größten bisher erfolgreich eingefrorenen Lebewesen. Frank Obergrießer:
" Wir sehen hier einen Kandidaten, den wir eingefroren haben, das ist ein Bärtierchen, das ist ein Moosbewohner, den Sie überall bei uns im Moos finden, der trocknet in trockenen Zeiten im Sommer stark ein und kann dadurch ziemlich widrige Umstände überleben, ernährt sich von Pflanzenzellen und Rädertierchen und so was, uns ist es nun gelungen, ihn in Anführungszeichen "gequollenen" Zustand einzufrieren, dann haben wir ihn wieder aufgetaut und er hat wieder eitergezappelt, das dürfte so die Grenze sein des Machbaren, was man zur Zeit einfrieren kann, der besteht aus etwa 30.000 Zellen, das heißt, da sind wir noch weit entfernt von Organen oder ganzen Individuen, die einzufrieren."
30.000 Zellen - das ist wahrlich wenig, aber es ist der Anfang eines Weges, von dem aber letztlich niemand weiß, wo er endet. Lassen sich irgendwann Mäuse einfrieren und mit Erfolg wieder auftauen? Katzen? Hunde? Die Fraunhofer Kryoforscher bekommen wöchentlich entsprechende Anfragen - und weisen sie alle zurück. Höhere Lebewesen lassen sich nicht einfrieren! Günter Fuhr:
" Es hängt damit zusammen, dass dieses Gefrierschutzmittel in die Zellen hinein diffundieren muss, das muss möglichst ein sanfter und physiologischer Prozess sein und gleichzeitig muss auch die Wärme nach einem vorgebbaren Programm herausgebracht werden. Und jetzt merken Sie das Problem. Wenn ich mir einen Würfen von einem Zentimeter mal einem Zentimeter vorstelle, also einen Fleischwürfel, dann kann ich die Wärme nur von außen abführen oder ich zerstöre etwas oder ich muss andere Hilfsmittel benutzen. Und genau so diffundieren die Gefrierschutzmittel von außen nach innen, das heißt innen haben die Zellen ganz andere Bedingungen als außen. Das ist der Punkt, warum ein größerer Organismus äußerlich zwar ganz gut erhalten wäre, aber dort, wo es drauf ankommt, in den Organen, im Gehirn, in den dichteren Gewebeteilen, dort wären ganz klar Gefrierzerstörungen zu spüren."
Natürlich animiert die Kryotechnologie zu Visionen vom ewigen Leben - Visionen, denen sich zum Beispiel die Kryoniker hingeben. Sie lassen sich nach ihrem Tod einfrieren in der Hoffnung, dass in fernen Zeiten die medizinische Forschung sie wieder zum Leben erweckt. Leider nur müssen die Mediziner im Jahre 2.500 gleich zwei Probleme lösen: Einem schon Gestorbenen lebendig machen und ihn dann noch von seiner Krankheit heilen. Für Günter Fuhr ist das Science-Fiction, hat aber auch seinen Reiz:
" Ich kann das auch nachvollziehen und ich kann Ihnen sagen, ich würde mich auch gerne in 300 oder 500 Jahren mich mit Kollegen unterhalten, was ist denn nun raus gekommen bei der Erforschung der Biologie, wie hängt das mit dem Leben zusammen, das kann ich nachvollziehen. Auf der anderen Seite muss man aber sagen, wären wir dem mental gewachsen, wollen wir das überhaupt, was wäre der Sinn, wer wird dann eingefroren? Das zweite ist, es geht sicherlich nicht, nachdem man gestorben ist, das müsste bevor man gestorben ist, erfolgen, und das ist ein juristisch und ethisch in den nächsten Jahrzehnten kaum zu klärendes Gebiet. Sie müssten sich auch überlegen, wie kämen Sie in einer solchen Welt zurecht, mal ganz abgesehen wie Sie sich fühlen, wenn Sie wieder auftauen."
Was bleibt sind realistische Anwendungen der Kryotechnik: Keine Tiere, keine Menschen, aber:
" Ganze Tumore zum Beispiel, damit man bestimmte Zelllinien wieder gewinnen kann, bis hin zu Organen, das wäre bei Transplantationen eine große Hilfe, wenn man eine Niere oder Leber tatsächlich einfrieren könnte, das würde das Problem der Logistik stark entzerren. Aber das ist ein weiter Schritt, weil dort brauchen wir natürlich Gefrierschutzmittel, die dann vollkommen verträglich sind, und der nächst Schritt wäre dann natürlich schon, das man sagt, wenn es möglich ist - es müssen ja nicht Menschen sein, auch kein Hund oder ein Schwein - aber doch kleinere Organismen einzufrieren und diese als Referenzprobe da liegen zu haben, warum nicht?!"