Plakjes muizenhersenen die een week lang zijn bewaard bij -150 graden Celsius zijn weer op temperatuur gebracht en vertoonden toen min of meer normale activiteit. Dit onderzoek is een stap voorwaarts naar het bewaren van schijndode hersenen van mensen.
Bevroren plakjes muizenbrein vertoonden bijna normale elektrische activiteit nadat ze weer waren opgewarmd. De kennis die wetenschappers met dit onderzoek opdoen, kan in de toekomst mogelijk worden toegepast bij het koelen en weer tot leven wekken van volledige breinen. Dat kan bijvoorbeeld handig zijn als je mensen in een schijndode toestand wilt brengen voor lange ruimtevluchten.
‘Op dit moment is dat niet mogelijk. Maar ik denk dat we bestaande technieken kunnen combineren om dit te bereiken, wat ruimte biedt voor voorzichtig optimisme’, zegt arts-onderzoeker Alexander German van de Universiteit van Erlangen-Nürnberg in Duitsland, die het onderzoek leidde.
Oudere spier kampt met haperende energievoorziening
Wat gebeurt er met je spieren als je ouder wordt? De achteruitgang een spier blijkt het gevolg te zijn van een haperende energievoorziening.
Scherpe kristallen
Als je levend weefsel in de diepvries wilt bewaren, een proces dat bekend staat als cryopreservatie, is het cruciaal om de vorming van ijskristallen te vermijden. Als deze kristallen groeien, kunnen ze namelijk scheuren veroorzaken in moleculen in cellen en zelfs in grotere structuren zoals bloedvaten. Daarnaast raakt weefsel beschadigd doordat de resterende vloeistof erin geconcentreerd wordt.
Sommige insecten, amfibieën en reptielen produceren zogeheten cryoprotectanten, stoffen die de vorming van ijskristallen tegengaan. Daardoor kunnen deze dieren overleven bij vrieskou.
In de jaren tachtig besloten twee Amerikaanse biologen dit fenomeen te onderzoeken: Greg Fahy, nu wetenschappelijk hoofd van het bedrijf Intervene Immune, en William Rall, toen werkzaam in het Cryobiology Laboratory in de Amerikaanse staat Maryland. Zij toonden aan dat je cellen van zoogdieren in de koeling kunt bewaren door cryoprotectanten toe te voegen. Die zorgen ervoor dat vloeistoffen bij lage temperaturen niet kristalliseren, maar in plaats daarvan veranderen in een zogeheten amorfe stof (een stof zonder kristalstructuur, waarin de deeltjes willekeurig gerangschikt zitten). Dit proces staat bekend als verglazing of vitrificatie.
Dit werkt door het water in cellen grotendeels te vervangen door cryoprotectanten, zegt German. ‘Voor conventionele biologen is het vaak moeilijk te geloven dat het mogelijk is om de meerderheid van de watermoleculen in een weefsel te vervangen door andere polaire oplosmiddelen.’ Polaire stoffen hebben een positieve lading aan één kant en een negatieve lading aan de andere kant – net zoals water dat heeft.
Diepvriesplakjes
In 2006 rapporteerden Fahy en zijn collega’s dat ze plakjes rattenhersenen weer tot leven hadden gewekt nadat die kort tot -130 graden Celsius waren afgekoeld. Maar de beperkte resultaten die ze beschreven, overtuigden neurowetenschappers er niet van dat de plakjes weer hun normale activiteit vertoonden, zegt German.
German en zijn team zijn nu een stapje verdergegaan. Ze experimenteerden een tijdlang met verschillende combinaties van cryoprotectanten en verschillende invoermethoden om de nadelige bijwerkingen te beperken. Cryoprotectanten kunnen bijvoorbeeld giftig zijn in de hoge concentraties die voor dit werk vereist zijn. Daarnaast kunnen ze ervoor zorgen dat cellen opzwellen of krimpen.
Toen de onderzoekers de optimale techniek gevonden hadden, gebruikten ze deze om plakjes van de hippocampus van muizenhersenen af te koelen tot -196 graden Celsius. Dat deden ze met behulp van vloeibare stikstof. De plakjes werden daarna maximaal een week in een vriezer bij bewaard, bij -150 graden Celsius.
Nadat ze weer waren opgewarmd, voerde het team een reeks tests uit, waaronder het meten van elektrische activiteit. De prestaties van de diepvriesplakjes bleken toen vergelijkbaar met die van niet-gekoelde hersenplakjes.
Bewaarde herinneringen
Er was geen schade ontstaan aan de gevoelige synapsen die zenuwcellen met elkaar verbinden. Als deze verbindingen ook in een volledig brein bewaard zouden blijven, dan betekent dat de herinneringen van het brein blijven bestaan. ‘Dat is wat we verwachten, maar dit moet bevestigd worden’, zegt German.
Het brein is niet het enige orgaan dat al eens in de experimentele diepvries is gestopt. In 2021 zijn gekoelde rattenharten nieuw leven ingeblazen, zegt German. In 2022 gebeurde dat met rattenlevers en in 2023 met rattennieren.
‘Ons werk laat nu zien dat het ook mogelijk is om plakjes hersenweefsel van knaagdieren te cryopreserveren’, zegt German. ‘Dit biedt dus enige ruimte voor optimisme dat het op een gegeven moment mogelijk is om de hele hersenen – en ook het gehele knaagdier – te cryopreserveren. Persoonlijk denk ik dat het mogelijk is om een heel mens te cryopreserveren en dat dit nuttige toepassingen kan hebben als het op een verantwoorde manier gebeurt.’
Andere koek
Zelfs als het lukt om gezonde hersenen in de diepvries te bewaren en weer tot leven te wekken, wil dat nog niet zeggen overleden mensen die na hun dood zijn gecryopreserveerd weer tot leven kunnen komen. Er treedt aanzienlijke schade op na de dood, zegt German.
‘Het is een spannend onderzoek dat de grenzen verlegt op het fascinerende gebied van cryopreservatie van hersenen’, zegt bioloog João Pedro de Magalhães van de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk. ‘Natuurlijk is er nog veel vervolgonderzoek nodig voordat we menselijke organen, waaronder hersenen, kunnen cryopreserveren. Maar het is een stap in de goede richting.’
Cryobioloog John Baust van de Binghamton-universiteit in de VS noemt het werk een stap voorwaarts, maar wijst er wel op dat de bevindingen nog geverifieerd moeten worden door onafhankelijke experts. Hij is er ook niet van overtuigd dat deze aanpak zal werken bij een volledig brein. ‘Hele organen verglazen en herstellen is heel andere koek’, zegt hij.
Nuttige plakjes
Maar zelfs als deze methode alleen werkt met plakjes hersenweefsel, en niet met hele hersenen, kan het een nuttig hulpmiddel zijn. Het biedt de mogelijkheid om hersenweefsel langdurig op te slaan terwijl zulke plakjes nu meestal maar tien uur overleven.
Tijdens een operatie worden soms kleine, levende plakjes mensenbrein verwijderd, zegt German. Als we die kunnen opslaan en vervoeren, nemen de opties toe om ze te gebruiken voor het onderzoek naar hersenaandoeningen en mogelijke behandelingen.
‘Er zijn veel mogelijke toepassingen van vitrificatie van hersenplakjes, op het gebied van het delen van waardevol onderzoeksmateriaal tussen verschillende laboratoria en het bewaren van belangrijke hersenmonsters voor latere analyse’, zegt Fahy.
