Nová zjištění ohledně uchování mozkové funkce po vitrifikaci
V nedávné studii zaznamenali výzkumníci pokrok v oblasti kryokonzervace. Vitrifikovali řezy myšího mozku a následně i celý mozek, přičemž po jejich opětovném zahřátí byla zachována významná část neuronální funkce. Tato zjištění, o nichž je důležité informovat, pocházejí od vědeckého týmu z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a Uniklinikum Erlangen v Německu a byla publikována v časopise *Proceedings of the National Academy of Sciences*.
Výzvy a cíle kryoprezervace
Úspěšná kryoprezervace je pro medicínu značným přínosem, neboť uchovávání orgánů a tkání by mohlo výrazně usnadnit transplantace. V komunitě zabývající se dlouhověkostí (longevity) je tato metoda rovněž živým tématem a mnozí ji vnímají jako poslední možnost, pokud stárnutí nebude zcela poraženo za jejich života. Přestože v této oblasti již léta působí několik společností a počet kryokonzervovaných lidí se počítá na stovky, kryoprezervace zůstává značným krokem víry, neboť v současné době neexistuje spolehlivá metoda, jak zmrazit a opět ohřát lidské tělo, nebo dokonce mozek.
V posledních letech bylo dosaženo úspěchů s ledvinami potkanů (s následnou transplantací udržující život), játry a srdci. Dosud však nebylo prokázáno, že by mozek po kryoprezervaci obnovil svou funkci. Tým z FAU a Uniklinikum Erlangen si stanovil za cíl tuto skutečnost změnit.
Ústřední překážkou kryoprezervace jakékoli tkáně je led. Když voda zamrzá, rozšiřující se ledové krystaly mechanicky poškozují buněčné membrány, narušují synaptická spojení a ničí tkáňovou architekturu. Tradiční zmrazování dospělé mozkové tkáně opakovaně selhalo v zachování synaptické funkce. Doktor Alexander German z katedry molekulární neurologie na Uniklinikum Erlangen vysvětluje, že tvorba ledových krystalů je důvodem, proč je extrémní chlad obvykle tak škodlivý pro živé organismy, neboť krystaly mohou mechanicky poškodit buňky a zničit citlivou nanostrukturu tkáně.
Vitrification jako řešení
Teoretické řešení nabízí technika nazvaná vitrifikace (z latinského *vitro*, což znamená „sklo“). Namísto zamrzání vody do krystalů je většina tkáňové vody nahrazena kryoprotektivními látkami (CPA), jako jsou dimethylsulfoxid, ethylenglykol a formamid. Při dostatečně vysokých koncentracích a dostatečně rychlém ochlazení se vodná fáze změní spíše na sklovitou než na led, což zabraňuje mechanickému narušení. Vitrifikace v podstatě zastavuje všechny molekulární procesy a uchovává aktuální stav tkáně prakticky neomezeně.
Strukturální a funkční integrita tkáně
Tým vyvinul proprietární vitrifikační protokol a nejprve ho testoval na řezech myšího mozku. Po vitrifikaci byly řezy uchovávány v tekutém dusíku při -150 °C po dobu 10 minut až 7 dnů a poté byly ohřáty. Úpravou složení vitrifikačního roztoku se týmu podařilo zcela zabránit krystalizaci.
Další otázkou bylo, zda tyto řezy byly skutečně živé a funkční. Pro ověření funkčnosti mitochondrií autoři změřili rychlost spotřeby kyslíku v oblasti CA1 hipokampu. Při optimální koncentraci CPA zjistili 22% snížení bazální respirace oproti čerstvým kontrolním vzorkům. Celé snížení mitochondriální funkce bylo způsobeno toxicitou CPA, nikoli procesem vitrifikace a opětovného zahřívání, což bylo prokázáno, když výzkumníci použili pouze naložení a vymytí CPA bez vitrifikace. To naznačuje, že bezpečnější koktejly CPA by mohly výsledky dále zlepšit.
Mitochondriální respirace je hrubým měřítkem životaschopnosti, a proto bylo nutné zjistit, zda přežije i jemná struktura – synapse, dendrity, membrány. Elektronová mikroskopie ultratenkých řezů z oblasti CA1 odhalila jasné membrány a intaktní neuronální a synaptické struktury. Kvantitativní analýza hustoty a délky dendritických trnů neprokázala žádné rozdíly mezi kontrolními a po-vitrifikačními řezy.
Synaptická struktura se jevila jako neporušená, bylo však třeba ověřit její funkci. Tým zjistil, že základní synaptický přenos byl zachován, i když mírně oslaben. Krátkodobá plasticita (STP) – krátké, přechodné změny synaptické síly – byla v po-vitrifikačních řezech oslabena, nikoli však kvůli dostupnosti neurotransmiterů, která byla ve všech třech skupinách shodná.
Rozhodujícím testem byla dlouhodobá potenciace (LTP), aktivitou závislé a trvalé posílení synaptických spojení, široce považované za buněčný mechanismus učení a paměti. Pokud LTP přežije vitrifikaci, znamená to, že molekulární mechanismy pro kódování nových vzpomínek zůstávají funkční. Kryokonzervované řezy spolehlivě produkovaly LTP a v jednom konkrétním typu synapse byla dokonce silnější než před vitrifikací. Jednotlivá neuronální excitabilita byla rovněž z velké části zachována, i když se to poněkud lišilo napříč podtypy buněk.
Vitrification celého mozku
Poté, co autoři prokázali přežití mozkových řezů po vitrifikaci, rozšířili experiment na celý myší mozek, což představuje podstatně složitější problém, protože CPA musí být dodáván cévním systémem, což znamená překonání hematoencefalické bariéry. To způsobilo významnou komplikaci: když byl roztok CPA perfundován cévním systémem, voda opouštěla mozek rychleji, než CPA vstupovala, což vedlo ke katastrofální dehydrataci a fyzickému zmenšení mozku. Nedokonalým řešením, které tým nalezl, byla částečná rehydratace mezi pulzy zavedení CPA.
Po kraniotomii byly mozky vitrifikovány *in situ*, uchovány při -140 °C po dobu 1 až 8 dnů, ohřáty a CPA bylo vymyto. Míra úspěšnosti však nebyla zcela optimální: jedna ze tří iterací konečného protokolu poskytla tkáň vhodnou pro fyziologické hodnocení. Pozitivní zprávou je, že většina funkčních metrik byla po ohřátí zachována, ačkoli tým analyzoval pouze ten podtyp neuronů, který nejlépe dopadl v experimentech s řezy – granulární buňky v oblasti gyrus dentatus (DG) hipokampu. V současné době se proto neví, zda ostatní neurony obstály stejně dobře.
Cesta k úspěšné kryoprezervaci celého organismu nebo velkého mozku je stále dlouhá, nicméně tato studie představuje povzbudivý důkaz konceptu. Doktor German vkládá do jejich objevu naděje: „To by mohla být možnost například pro cestování vesmírem nebo pro lidi trpící v současné době nevyléčitelnou chorobou, protože v pozdější době může existovat možnost léčby, která postiženým osobám pomůže.“
Literatura
[1] German, A., Akdaş, E. Y., Flügel-Koch, C., Erterek, E., Frischknecht, R., Fejtova, A., … & Zheng, F. (2026). Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123(10), e2516848123.
[2] Han, Z., Rao, J. S., Gangwar, L., Namsrai, B. E., Pasek-Allen, J. L., Etheridge, M. L., … & Finger, E. B. (2023). Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model. Nature communications, 14(1), 3407.
[3] Sharma, A., Lee, C. Y., Namsrai, B. E., Han, Z., Tobolt, D., Rao, J. S., … & Finger, E. B. (2023). Cryopreservation of whole rat livers by vitrification and nanowarming. Annals of biomedical engineering, 51(3), 566-577.
[4] Chiu-Lam, A., Staples, E., Pepine, C. J., & Rinaldi, C. (2021). Perfusion, cryopreservation, and nanowarming of whole hearts using colloidally stable magnetic cryopreservation agent solutions. Science advances, 7(2), eabe3005.