Kryonik

Ein wie Science-Fiction anmutender Ansatz für ewiges Leben ist die Kryonik, das heißt Kryokonservierung (auch Kryostase) von Organismen oder einzelnen Organen (meist dem Gehirn), um sie – sofern möglich – in der Zukunft „wiederzubeleben“. In den USA wird Kryonik bereits von gemeinnützigen Gesellschaften wie Alcor Life Extension Foundation und Cryonics Institute angeboten. Dort können sich Menschen nach ihrem Tod in Kryostase begeben. In Russland gibt es seit 2006 den kommerziellen Anbieter KrioRus. Die kryonische Lagerung auf unbestimmte Zeit ist nach derzeitigen juristischen Erkenntnissen auch in Deutschland legal.

Die Firma Alcor mit Hauptsitz in Scottsdale, Arizona  st weltweit führend in der Kryonik-Forschung und -Technologie und verfügt über die fortschrittlichste Technologie aller Kryonik-Unternehmen. Mit Ausnahme von Embryonen wurde noch nie ein Mensch aus Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt wiederbelebt.  Zukünftige Technologien, insbesondere die molekulare Nanotechnologie, sollen die durch den Kryonik-Prozess verursachten Schäden rückgängig machen können. Nanomaterialien werden in der Medizin für Diagnose, Medikamentenabgabe und Geweberegeneration bereits heute eingesetzt.

Der entscheidende Schritt bei der Kryonik ist die Wahl des geeigneten Mittels, um die körpereigene Flüssigkeit zu ersetzen. Um die Bildung von Eiskristallen zu vermeiden, bedient sich die Kryonik seit Beginn des 21. Jahrhunderts der Vitrifizierung.  Das ist das Festwerden einer Flüssigkeit durch Erhöhung ihrer Viskosität, während sie abgekühlt wird – wobei eine Kristallisation ausbleibt. Es entsteht ein amorphes  Material. Das kann unter anderem erreicht werden durch rasantes Abkühlen (z. B. in flüssigem Stickstoff) im Zusammenspiel mit Zusätzen, die die Kristallisation verhindern. Entscheidend bei diesem Prozess ist eine Frierung ohne Eiskristallbildung. Eiskristalle führen zu einer Vielzahl mikroskopischer Verletzungen, welche nach heutigem Kenntnisstand als irreversibel einzustufen sind.  Bei der Kryokonservierung größerer Organe und Organismen kommt es bisher zu Schäden, die heute noch nicht behoben werden können.  Zur Lagerung wird der Organismus bzw. das Organ üblicherweise bei, −196 °C in flüssigem Stickstoff gekühlt. Eine bisher unlösbare Herausforderung stellt das Wiederauftauen von größeren Organen und Organismen dar. Während das Auftauen eines größeren Organismus mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann, entstehen folgende Probleme: Einerseits dürfen keine kritischen Temperaturen überschritten werden, welche insbesondere eine strukturelle Veränderung von Biomolekülen, wie Proteinen (Eiweiße) oder Desoxyribonukleinsäure (DNS), zur Folge hat, andererseits muss darauf geachtet werden, dass das Gewebe während des Auftauens nicht aufgrund einer Sauerstoffunterversorgung abstirbt. Diese Probleme sind bisher unüberwindbar.

Als Kältemittelvariante, um die körpereigene Flüssigkeit zu ersetzen, sind heutzutage Gemische auf Basis von Dimethylsulfoxid, Formamid und Ethylenglykol in Verwendung . Ein weiteres Problem der Kryonik bleibt dabei die Giftigkeit der Substanzen. Kryonik soll aber irgendwann das Instrument sein, etwa um bemannte Raumfahrt mit Unterlichtgeschwindigkeit zu ermöglichen oder um Figuren des Zeitgeschehens in die Zukunft zu übertragen. Die Welt der Kryonik steht an einer einzigartigen Schnittstelle zwischen Wissenschaft, Hoffnung und dem Streben nach einer Verlängerung der menschlichen Lebensspanne.

Unter Kryokonservierung versteht man das Tiefgefrieren von Körperzellen in flüssigem Stickstoff. Der Stickstoff kühlt die Zellen je nach Methode bis zu minus 77 K (−196 °C) herunter. Dabei sterben sie nicht ab, sondern stellen lediglich ihre Stoffwechselvorgänge ein. Mit dem Erwärmen kehren ihre Vitalfunktionen zurück. Mithilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die Vitalität der Zellen nahezu unbegrenzt aufrechtzuerhalten. Das Verfahren eignet sich sowohl für Pflanzenzellen als auch für tierische Zellen. Bisher ist Kryokonservierung im Wesentlichen nur bei einzelnen Zellen möglich. Beim Menschen, z. B. bei Blut, Spermien, Eizellen und Embryonen. Dabei scheint auch längeres Einfrieren kein Problem zu sein, wie die Geburt einer Amerikanerin, die aus einer befruchteten Eizelle hervorging, die über 24 Jahre kryokonserviert war, beweist. Bei größeren, mehrzelligen Organismen bilden sich beim Einfrieren aufgrund der zu geringen Temperaturabsenkung im Kern jedoch Eiskristalle, die so groß werden, dass sie die Zellwände durchbrechen und damit irreparabel zerstören. Einzelne Zellen hingegen können so schnell eingefroren werden, dass das Wasser nur kleine Eiskristalle bildet. Bei kleinen Organen funktioniert Kryokonservierung ebenfalls , wenn man bei vorheriger Präparation der Proben mit richtig abgestimmten Gefrierschutzmitteln zur Behinderung des Wachstums von Eiskristallen diese dann zügig einfriert. Nach heutigem Stand der Wissenschaft erleiden größere Organe und Organismen beim Kryokonservieren jedoch irreparable Schäden. Daher bleibt es abzuwarten, ob in der Zukunft auch ganze Organismen konserviert werden können. In der Natur gibt es natürliche Vorbilder, die Hoffnung machen. Der Waldfrosch oder Insekten, wie die Gallmücke, überleben eingefroren im Winter Temperaturen im zweistelligen Minusbereich aufgrund eines körpereigenen Frostschutzmittels (aus Harnstoff und Glucose). Das funktioniert aber nur bis zu einer bestimmten kritischen Temperatur. Ein anderes Beispiel sind Nematoden, die in Sibirien gefunden wurden. Diese Fadenwürmer waren seit dem Pleistozän vor etwa 42.000 Jahren im Permafrostboden konserviert. Trotz der Tatsache, dass sie seit Zehntausenden von Jahren eingefroren waren, konnten zwei Arten dieser Würmer erfolgreich wiederbelebt werden. Auch im Pflanzenreich gibt es Beispiele für Kryokonservierung. Verschiedene Moose, wie das kleine Blasenmützenmoos, kann bei −135 °C über mehrere Jahre kryokonserviert werden, ohne seine Regenerationsfähigkeit zu verlieren.

Auch der Mensch scheint unter bestimmten Voraussetzungen, die Fähigkeit zu besitzen, zumindest teilweises Einfrieren zu überleben. Das zeigt der Fall der Eisfrau in den USA. Am 20. Dezember 1980 blieb die 19-jährige Jean Hilliard auf dem Weg nach Hause mit ihrem Auto auf der vereisten Landstraße in Minnesota liegen . Da sie Angst hatte, im Auto zu erfrieren, machte sie sich auf den Weg zu dem Haus eines Bekannten, der nicht weit entfernt wohnte. Bei minus Temperaturen, Schnee, Eis und starkem Gegenwind erreichte sie zwar die Auffahrt des Hauses, brach aber nur vier Meter vom Einfang entfernt zusammen und verlor das Bewusstsein. Die Temperatur sank in dieser Nacht auf minus 30 Grad Celsius. Sechs Stunden lang lag Jean Hilliard im Schnee, bis sie ihr Nachbar am nächsten Morgen schließlich fand und ins Krankenhaus fuhr. Sie war völlig durchgefroren. Die Ärzte im Krankenhaus stellten nur wenige Lebenszeichen fest, ihre Haut war so gefroren, dass keine Nadel, sie durchdringen konnte, ihre Augen, waren steif gefroren und reagierten nicht auf Licht, aber ihr Herz schlug immerhin – gerade mal zwölf Schläge in der Minute. Die Ärzte wickelten Jean in eine Heizdecke, um sie aufzutauen. Sie waren sich jedoch sicher, dass das Mädchen sterben würde. Und wenn nicht, drohte ihr die Amputation von Gliedmaßen. Nach ein paar Stunden kam Jean jedoch wieder zu Bewusstsein und taute auf. Sie hatte keine Folgen des „Erfrierens“. Drei Tage später konnte sie ihre Beine wieder bewegen, die Erfrierungen an den Gliedmaßen waren weg. Auch der Gefrierbrand, den sie auf dem Körper gehabt hatte, verschwand nach einer Weile wieder völlig. Nach 49 Tagen durfte sie wieder nach Hause. Mediziner erklären diesen wundersamen Fall damit, dass Hilliards Körper versucht habe, sich an die extremen Temperaturen anzupassen und alle Prozesse so verlangsamte, dass nur ein Mindestmaß erhalten blieb. Doch letztlich bleibt der Fall ein Rätsel des Lebens, das die Wissenschaft erst noch ergründen muss.

Das CRISPR-Verfahren: Crispr/Cas9

Gentechnisch modifizierte Organismen (GMO), sind Organismen, deren Erbanlagen mittels gentechnischer Methoden gezielt verändert worden sind. Dazu zählen die gezielte Inaktivierung oder Modifikation einzelner Gene sowie das gezielte Einbringen arteigener oder artfremder Gene. GMOs, in die Gene aus anderen Arten eingeschleust wurden, werden als transgene Organismen bezeichnet, die eingeschleusten Gene als Transgene. Transgene Nutzpflanzen, das heißt Pflanzen, die aufgrund von gentechnischen Veränderungen tolerant gegenüber Pflanzenschutzmitteln oder giftig für bestimmte Schadinsekten sind, werden mittlerweile in zahlreichen Ländern auf über 12 % der globalen Landwirtschaftsfläche angebaut. Der Anteil gentechnisch veränderter Sojabohnen am Weltmarkt z. B. liegt bereits bei über 80 Prozent. Ein Beispiel im Bereich genetischer Modifikation von Mikroorganismen, ist Humaninsulin, das mit gentechnisch veränderten Bakterien hergestellt und zur Behandlung bei Diabetes eingesetzt wird.

Es gibt bereits ungefähr 20 molekularbiologische Verfahren, um Gene zu manipulieren. Zu den wichtigsten zählen die Verfahren auf Basis künstlich hergestellter Restrictionsenzyme. Das sind Enzyme, die DNA an bestimmten Positionen erkennen und schneiden können. Restriktionsendonukleasen treten unter anderem in Bakterien und Archaeen auf^[1] und dienen dort der Abwehr von Bakteriophagen. Dazu zählen z. B. die Zinkfingernukleasen (ZNF) und die TALENs (Trancription activator-like-effector nuclease). Ein Sonderfall sind CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) . Das sind DNA-Bereiche im Erbgut, deren Sequenz aus sich wiederholenden Abschnitten besteht. Sie treten im Erbgut vieler Bakterien und Archaeen auf. Die Archaeen oder Urbakterien bilden eine der drei Domänen, in die alle zellulären Lebewesen eingeteilt werden. Die anderen beiden Domänen sind die Bakterien (Bacteria), die mit den Archaeen zu den Prokaryoten zusammengefasst werden, und die Eukaryoten (Eukaryota), die im Unterschied zu den Prokaryoten einen Zellkern besitzen. CRISPR dienen einem Mechanismus, dem CRISPR/Cas-System, mit dem sich viele Prokaryoten gegen das Eindringen fremden Erbguts von Viren oder Plasmiden schützen. Das CRISPR/Cas-System bildet die Grundlage der neuen molekularbiologischen Methode, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern. Damit können einzelne DNA-Bausteine eingefügt, entfernt oder modifiziert werden. Das Verfahren funktioniert grundsätzlich bei allen Organismen. Es wird auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung und in der Biotechnologie eingesetzt. Mithilfe des CRISPR/Cas-Systems sind punktuelle Veränderungen der DNA an einer vorbestimmten Stelle im Genom möglich. Auf diese Weise können einzelne Gene – genauer: DNA-Bausteine – umgeschrieben oder „editiert“ werden. Das System besteht aus drei Schritten:

1. Ziel finden: Zunächst muss im Genom genau die Stelle gefunden und angesteuert werden, bei der eine Änderung durchgeführt werden soll. Dazu konstruiert man eine geeignete „Sonde“, die beim CRISPR-Verfahren aus RNA-Abschnitten (auch Guide RNA genannt) besteht, die der DNA-Abfolge der jeweiligen Zielsequenz entspricht. Die Guide-RNA und die DNA des Ziels passen genau zueinander.
2. Schneiden: Die RNA (Guide-RNA) erkennt die DNA-Sequenz, die „umgeschrieben“ werden soll und dockt dort an, um den DNA-Doppelstrang genau an dieser Stelle mit einer molekularen „Schere“ durchzuschneiden – bei CRISPR ist es das Cas9-Protein, das an die RNA-Sonde gekoppelt ist. Es entsteht ein „Doppelstrangbruch“.
3. Reparieren: Nun treten die zelleigenen Reparatursysteme in Aktion und fügen den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen. Die Reparatur kann zufällig (nicht-homolog) oder gezielt (homolog) erfolgen. Bei der zufälligen Reparatur werden an der Bruchstelle einzelne DNA-Bausteine entfernt oder „falsch“ zusammengesetzt. Dadurch kann das betreffende Gen nicht mehr richtig abgelesen werden und ist inaktiv. Bei der homologen Reparatur kann an der Bruchstelle gezielt ein neuer Gen-Abschnitt oder eine neue, leicht veränderte Variante einer kurzen DNA-Sequenz (Mutation) eingefügt werden.

Mit der Gentechnik Crispr/Cas9 können Forscher bereits heute Tiere und Pflanzen gestalten. Und möglicherweise Menschen heilen, die Aids, Krebs oder genetische Erbkrankheiten haben. In der Pflanzenzucht wird folgendermaßen vorgegangen: Wenn das für das Editieren erforderliche Guide-RNA seinen Zweck erfüllt und die beabsichtigte Mutation ausgelöst hat, wird es aus der Zelle entfernt. Das geschieht auf natürlichem Wege. Da das zuvor eingeführte Genkonstrukt mit der „Bauanleitung“ für die CRISPR-Werkzeuge den Vererbungsgesetzen unterliegt, sind unter den Nachkommen von zwei Pflanzen mit gentechnisch eingefügten CRISPR-Werkzeugen nach den Mendelschen Erbregeln ein Viertel „transgen-frei“, das heißt, sie enthalten in ihrem Genom keine artfremde DNA mehr. Mit diesen Pflanzen wird dann weitergearbeitet.

Crispr/Cas9 wird auch in der Alterungsforschung eine wichtige Rolle spielen.

Bestimmt wird der Alterungsprozess von der biologischen Ausstattung des Menschen und hier vor allem von genetischen Faktoren (es gibt Untersuchungen, denen zufolge circa 30 Prozent der Variabilität der menschlichen Lebensspanne durch Genetik erklärt werden können). Außerdem von seiner Lebensführung und von äußeren Einflüssen.

Ein vielversprechend Ansatz in der Alterungsforschung ist die Reaktivierung der Thymusdrüse. Der Thymus spielt eine wichtige Rolle im Alterungsprozess, da er für die Reifung von weißen Blutzellen, den sogenannten T-Lymphozyten, die für die Immunabwehr unerlässlich sind, zuständig ist. Mit zunehmendem Alter kommt es zu einer Rückbildung des Thymus, auch Thymusinvolution genannt. Das bedeutet, dass der Thymus schrumpft und durch Fettgewebe ersetzt wird. Seine Funktion nimmt  deshalb ab, was zu einer altersbedingten Abnahme der Immunfunktion führt. TRIIM-X  ist eine Pilotstudie, mit dem Ziel die Thymusdrüse zu regenerieren. Die Studie verwendet eine Kombination aus rekombinantem menschlichem Wachstumshormon (Somatropin), Metformin und DHEA. Eine vorausgegangene Studie ergab eine Verjüngung des biologischen Alters um 2,5 Jahre bei den mittelalten Versuchpersonen. Die Kombination der Wirkstoffe Somatropin, Metformin und DHEA erbrachte vielversprechende Ergebnisse. Somatropin ist ein Wachstumshormon, das in der Hirnanhangdrüse produziert wird. Im Zusammenspiel mit anderen Faktoren und Hormonen spielt es eine wichtige Rolle beim Wachstum von Muskeln, Knochen und Knorpeln. Daneben beeinflusst es auch den Zucker-, Fett- und Eiweißstoffwechsel. Metformin ist ein Medikament, das hauptsächlich zur Behandlung von Typ-2-Diabetes eingesetzt wird. Es senkt den Blutzuckerspiegel, indem es die Glucoseproduktion in der Leber hemmt und die Glucoseaufnahme in Muskel- und Fettzellen verbessert. DHEA ist ein beim Menschen natürlich vorkommendes Steroid und Prohormon, dessen Produktion nach dem 40. Lebensjahr rapide abnimmt. DHEA wird im Körper in Sexualsteroidhormone wie Testosteron umgewandelt.  Befürworter behaupten, dass DHEA den Alterungsprozess umkehrt, die Hirnfunktion bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit verbessert. DHEA-Nahrungsergänzungsmittel werden von Medizinern in der Regel aber nicht empfohlen, da der angebliche Nutzen nicht nachgewiesen ist und schädliche Nebenwirkungen sowie mehrere Wechselwirkungen mit Arzneimitteln möglich sind. 7 Keto DHEA, ist ein natürlicher Metabolit von DHEA hat vergleichbare Wirkungen wie DHEA, wird aber nicht in Sexualsteroidhormone umgewandelt und hat bei geringer Dosis keine Nebenwirkungen. Studien zeigten, dass es eine Alternative zu DHEA darstellen könnte, um bestimmte Auswirkungen des Alterungsprozesses zu behandeln.