Rozmrazte mě za sto let!
Dělají si z toho legraci Woody Allen i Cimrman, vážně to berou ve sci-fi. Půjde ale někdy zmrazit a bezpečně rozmrazit člověka? Co zatím lze jen ve sci-fi, může být do budoucna realitou. Vědci pronikají do tajů procedur, kterými lze buňky, orgány i celé o
Ve filmu Věčně mladý z roku 1992 se zkušební pilot Daniel McCormick v podání Mela Gibsona bez větších trablů probouzí z půlstoletí dlouhého zmrazení. Ani s odstupem třiceti let však není takové uložení člověka „k ledu“nic víc než čirá fikce. A stejně jsme na tom i s vizí posádek kosmických lodí cestujících vesmírem v podchlazeném stavu po vzoru astronautů z Kubrickovy filmové klasiky 2001: Vesmírná odysea z roku 1968.
Samotné mrazení nepředstavuje velký problém, potíž je po rozmrazení. Srazit teplotu živých buněk, tkání, orgánů, či dokonce celých organismů hluboko pod bod mrazu tak, aby to přežily bez těžkého a nevratného poškození, se nedaří. Obvykle platí, že čím větší objekt se mrazí, tím jsou škody napáchané nízkými teplotami závažnější.
Mrazit mikroskopické objekty, jako jsou spermie, vajíčka nebo embrya zvířat či lidí, se daří bez problémů. Speciálními postupy označovanými jako kryokonzervace lze buňky ochladit na teplotu tekutého dusíku, tedy na –196 °C, kde je lze držet v nezměněném stavu libovolně dlouhou dobu. Je to běžná praxe i v humánní medicíně při léčbě neplodnosti umělým oplodněním. Jen v Česku se každoročně přenáší na klinikách pacientkám více než 16 000 embryí vzniklých oplozením „ve zkumavce“a následně uchovávaných po nějakou dobu v tekutém dusíku. Zárodky staré pár dní lze ve zmrazeném stavu skladovat po prakticky neomezenou dobu, aniž by se to projevilo na jejich kvalitě. V USA se narodily zdravé děti z embryí, která strávila ve zmrazeném stavu plných třicet let. Ale už kryokonzervace ledviny tak, aby ji mohli chirurgové v případě potřeby rozmrazit a použít pro transplantaci, zůstává oříškem.
Potíže, s nimiž se současné technologie zmrazování potýkají, celkem okázale ignorují vyznavači kryoniky, kontroverzního oboru, který se holedbá příslibem „druhé šance na život“. Zmrazenou hlavu, nebo dokonce celý organismus nebožtíka ukládají do tekutého dusíku s vidinou, že jednou bude možné mozek či celé tělo přivést opět k životu. Americká společnost Cryonics Institute tak spravuje hlavy či těla asi dvou set klientů. Podle expertů jsou však vyhlídky na oživení mizivé, protože ke zmrazení byly použity metody, jež páchají na buňkách, tkáních a orgánech rozsáhlé, nevratné škody. Nebrání totiž růstu ledových krystalů, které mrazené tkáně rozdrtí na kaši. Velký objem mrazených tkání nedovolí jejich rovnoměrné prochladnutí a vzniká pnutí, jež mrznoucí tkáně doslova rozláme.
K dalším neméně závažným poškozením dochází při rozmrazení. Jak se teplota blíží k bodu tání, roste riziko vzniku nových ledových krystalů se všemi jeho dopady a nerovnoměrné prohřívání vyvolá další pnutí a vznik nových prasklin. Dnes si nedovedeme představit technologie, které by jednou měly klientům společností provozujících kryonický byznys vyspravit rozdrcené buňky a zacelit rozlámané orgány. U spermií, vajíček nebo embryí tvořených nejvýše několika desítkami buněk se daří škodám způsobeným růstem ledových krystalů předcházet a pnutí je u nich zanedbatelné.
Orgány k transplantaci
Všechny buňky obsahují značné množství vody, v níž probíhají biochemické reakce nezbytné pro základní životní procesy. Klíčem k úspěšnému zmrazení je odstranění vody v kapalném skupenství a zastavení elementárních buněčných pochodů. Pomáhají při tom látky, tzv. kryoprotektiva, chránící buňky před negativními účinky nízkých teplot. Vlastní zmrazení lze provádět dvěma různými způsoby. Jeden využívá kryoprotektiv a postupného ochlazování buněk přesně stanoveným tempem. Růst ledových krystalů se tím potlačí na únosnou míru. Druhý způsob spočívá v použití kryoprotektiv ve vysokých koncentracích. Tím se odsaje z buněk část vody, načež je lze zmrazit bez zdlouhavého ochlazování jednoduchým ponořením do tekutého dusíku.
Pouze při mrazení malých objemů buněk totiž lze zajistit dokonalé prosycení kryoprotektivními chemikáliemi a také optimální ochlazení. Čím je mrazený objekt objemnější, tím hůře se kryoprotektivy prosycuje a je složitější udržet v něm všude stejné tempo ochlazování. Nedaří se zabránit ani růstu ledových krystalů, ani pnutí provázejícímu změny teploty. Rozmrazený orgán si může udržet částečnou funkčnost, ale většina je poklesem a následným vzestupem teplot zničena.
Vědci se snaží modifikovat metody zavedené pro mrazení lidských embryí tak, aby byly vhodné i ke kryokonzervaci objemnějších tkání a orgánů. Tyto experimenty ale přinášejí jen dílčí úspěchy.
Slibně dopadly například pokusy s mrazením ledvin laboratorních potkanů. Vědci nejprve přes žíly zavedou do orgánu speciální koktejl kryoprotektivních chemikálií, který prosytí ledviny mikroskopickými částicemi oxidu železa. Kryoprotektiva odstraní z ledviny část vody, a tak je možné ji bez poškození ochladit na –150 °C. Částice oxidu železa přicházejí ke slovu při rozmrazování, kdy je orgán vložen do cívky elektromagnetu. Protože je oxid železa rozptýlený po celé ledvině, rovnoměrně ji prohřívá a brání nejhoršímu poškození. Po vymytí kryoprotektiv a mikročástic lze orgán transplantovat zvířecímu příjemci: ledvina je částečně funkční, filtruje krev a vylučuje odpadní látky s močí.
Silným motivem pro podobné experimenty je prodloužení životnosti orgánů určených k transplantacím. Ty se skladují a transportují při teplotách mezi 0 a plus 4 °C, ale srdce si za těchto podmínek udrží potřebnou kvalitu jen šest hodin. Plíce vydrží osm hodin, játra 12 hodin a střevo 16 hodin. Slinivka je použitelná do 18 hodin a ledviny do 36 hodin.
V přírodě najdeme živočichy, kteří se poškození nízkými teplotami ubrání. Severoamerický skokan lesní žije na rozsáhlém území od Labradoru po Aljašku. Tuhé arktické zimy mu neublíží, ani když mu tělo zmrzne na kámen a jeho teplota klesne na –15 °C. Na příchod mrazů se připravuje od podzimu: jeho játra chrlí krevní cukr glukózu, který chrání tkáně před poškození nízkými teplotami. Zhoršené zásobování těla kyslíkem sice vyvolá vzestup škodlivých volných radikálů, ale žába se před nimi chrání zvýšenou produkcí antioxidantů. V krvi se objeví zvláštní bílkovina a vyvolá vznik drobných krystalů ledu v cévách, které jsou vůči ničivým účinkům odolnější než okolní tkáně. Skokan lesní tak proto stráví zahrabaný v listí ve zmrzlém stavu několik měsíců, ale když jarní slunko ohřeje jeho ledovou skrýš, rychle obživne a už po pár hodinách se čile zajímá o námluvy.
Žabí vzory
Vědci se snaží od žab jejich obranné mechanismy okopírovat. Zatím ale jen na podstatně menších tvorech, například na titěrných larvách akvarijní rybky dania pruhovaného známé mezi chovateli pod lidovým označením zebřička. V experimentu amerických vědců polovina larev zmrazených na tři dny na teplotu –10 °C po rozmrznutí ožila a dále se vyvíjela. V jiné vědecké studii prosytili lékaři lidská játra nevhodná pro transplantaci uměle připraveným cukrem. Ten chrání buňky před mrazem podobně jako glukóza, ale na rozdíl od ní ho játra nedokážou metabolizovat, a nemění ho proto na nebezpečné zplodiny látkové výměny. Takto připravený orgán vydržel při teplotě –4 °C po dobu 27 hodin, což je víc než dvojnásobek doby, po kterou lze játra běžnými metodami udržet ve stavu vhodném pro transplantaci.
Další krok v napodobení skokana lesního přinesl experiment, v kterém byla játra potkana vystavena vysokým koncentracím syntetického cukru a do jejich cév byl vpraven přípravek Snomax používaný při zasněžování lyžařských svahů. Základ přípravku tvoří bílkovina izolovaná z bakterií, která navozuje vznik ledových krystalů. Ve vodě rozprášené do ledového vzduchu sněhovými děly usnadňuje tvorbu vloček sněhu. V játrech navodí mikrobiální protein vznik ledových krystalků v cévách podobným způsobem, jaký chrání před poškozením tkáně skokanů lesních. Játra pak vydržela skladování při teplotách –15 °C po dobu plných pěti dní. Lékaři by si přáli skladovat orgány pro transplantace podstatně delší dobu, ale za přínosné považují jakékoli prodloužení doby, kdy orgán čeká bez poškození na příjemce.
Růstu nebezpečných ledových krystalů se dá zabránit i zvýšením tlaku na mrazené tkáně. Vědci tak například udrželi prasečí srdce po dobu 21 hodin při teplotě –4 °C. Orgán uzavřeli do dokonale utěsněné ocelové nádoby, kde pak snižovali teplotu. Jakmile začala voda v srdci mrznout, její objem se zvětšil, což vedlo k vzestupu tlaku uvnitř nádoby a omezení růstu krystalů ledu. O tom, že orgán neutrpěl závažnější škody, se vědci přesvědčili po jeho rozmrazení a transplantaci dalšímu praseti, kterému srdce v hrudi normálně tlouklo.
Čím je mrazený objekt objemnější, tím je složitější udržet v něm všude stejné tempo ochlazování. Nedaří se zabránit ani růstu ledových krystalů a orgán se láme.
Mrazení potravin
O dlouhodobé skladování orgánů pro transplantace mají zájem biotechnologické firmy produkující geneticky modifikovaná prasata pro tzv. xenotransplantace – tedy pro transplantace prasečích orgánů lidem, pro něž se nenašel vhodný lidský dárce. Celý obor překonal stagnaci v prvním desetiletí 21. století a nyní se prudce rozvíjí. Zatím bylo prasečí srdce transplantováno experimentálně dvěma pacientům a v klinických studiích lékaři transplantovali prasečí ledviny lidem po mozkové smrti. Ve chvíli, kdy se stanou xenotransplantace standardním léčebným postupem, by banka zmrazených orgánů výrazně zjednodušila léčbu pacientů.
O výsledky podobných experimentů jeví velký zájem i potravinářské firmy. Konzistence potravin a výsledný chuťový vjem při mrazení utrpí právě v důsledku vzniku ledových krystalů. Ochlazení v uzavřené tlakové nádobě ale vznik krystalů potlačí a kvalita potravin tolik neutrpí. Při tomto způsobu mrazení navíc není zapotřebí tak nízkých teplot, jaké vládnou v domácích mrazácích, což s sebou nese citelnou energetickou úsporu.
Podle předběžných propočtů by zavedení této technologie do potravinářského průmyslu znamenalo roční úsporu celých šest miliard kilowatthodin. Nebude to ale jednoduché: například maliny se v tomto zařízení proměnily na kašovitou hmotu. Cherry rajčata zchlazená na –2,5 °C ale vydržela v uzavřené nádobě celý měsíc a po vyjmutí vypadala a chutnala, jako kdyby před chvíli ještě rostla na keři.