Se la vitrificazione è l'obiettivo, ossia portare il corpo a uno stato vetroso stabile anziché formare ghiaccio distruttivo, i crioprotettori sono ciò che la rende fisicamente possibile. Sono, in sostanza, un antigelo per uso medico. Come molti degli strumenti cruciali in questo campo, comportano un compromesso fondamentale su cui si basa l'intera procedura: la stessa sostanza che protegge il tessuto dal ghiaccio può diventare tossica se la sua concentrazione non è controllata. Per comprendere i crioprotettori, occorre capire come viene gestito questo compromesso.
Perché il ghiaccio va fermato, con ogni mezzo
Occorre anzitutto capire perché la formazione di ghiaccio è dannosa. Quando l'acqua si congela dentro un corpo, provoca due tipi di danno insieme. Il primo è meccanico: crescendo, i cristalli di ghiaccio comprimono le cellule circostanti in spazi sempre più stretti di liquido non congelato e ne deformano le strutture interne più delicate. Il secondo è chimico: quando una parte dell'acqua congela, le sostanze disciolte si concentrano nel liquido residuo, il cui volume si riduce fino a raggiungere concentrazioni tossiche di sali e altri soluti. Già uno solo dei due effetti sarebbe grave. Insieme, rendono il congelamento ordinario un modo affidabile per distruggere esattamente le strutture che custodiscono l'identità di una persona.
I crioprotettori esistono per impedire che il ghiaccio si formi fin dall'inizio. Anziché congelare, il tessuto passa allo stato vetroso e la sua struttura viene conservata nella misura consentita dalla qualità della perfusione.
Cosa sono davvero i crioprotettori
Un agente crioprotettore si comporta in modo simile all'antigelo che si versa nel radiatore di un'auto: si dissolve nell'acqua e abbassa la temperatura alla quale quell'acqua cristallizzerebbe altrimenti. Le sostanze per uso medico impiegate in crionica, come glicerolo, glicole etilenico, glicole propilenico e dimetilsolfossido (DMSO), vengono selezionate e combinate proprio a questo scopo. Si dividono in due famiglie che lavorano in coppia:
- Gli agenti penetranti attraversano la membrana cellulare e impediscono al ghiaccio di formarsi dentro la cellula.
- Gli agenti non penetranti restano fuori dalla cellula e impediscono al ghiaccio di formarsi negli spazi tra le cellule, dove tende a comparire per primo.
Vengono usati insieme per una ragione che si rivela decisiva. Poiché gli agenti non penetranti proteggono lo spazio extracellulare, dove il ghiaccio tende a formarsi più facilmente, gli agenti penetranti possono essere usati a concentrazioni intracellulari più basse. E la concentrazione, come si vedrà, è proprio il nodo del problema.
Il compromesso con la tossicità, il vero punto della questione
Questo è il compromesso centrale della crioprotezione. Per vitrificare in modo affidabile occorre sostituire gran parte dell'acqua del corpo con crioprotettore. Ma quanto più alta è la concentrazione, tanto più l'agente diventa tossico per il tessuto. Troppo poco produce ghiaccio, troppo produce danno chimico. L'obiettivo è trovare un equilibrio tra questi due estremi.
Due fatti rendono possibile questo equilibrio. Primo, la tossicità dipende fortemente dalla temperatura: un agente che danneggerebbe il tessuto a temperatura ambiente è molto più tollerabile a basse temperature. Per questo i crioprotettori vengono introdotti gradualmente, a concentrazione crescente, mentre il corpo viene contemporaneamente raffreddato, così da mantenere bassa la tossicità a ogni fase. Secondo, le giuste combinazioni di agenti possono ridurre la tossicità complessiva della miscela ben sotto quella che qualsiasi singolo agente causerebbe usato da solo alla massima concentrazione. Trovare la combinazione giusta è un problema di ricerca ancora aperto, e migliorarla è una delle leve concrete per la qualità futura della rianimazione.
Le soluzioni continuano a migliorare
Il crioprotettore usato oggi non è una sola sostanza chimica ma un cocktail messo a punto con cura, frutto di decenni di perfezionamenti successivi. Il criobiologo Greg Fahy ha sviluppato diverse generazioni di soluzioni per la vitrificazione, ciascuna pensata per correggere limiti della precedente. Le prime miscele a singolo agente hanno lasciato spazio a combinazioni di DMSO con ammidi e glicole propilenico. Il glicole etilenico ha poi sostituito le componenti più tossiche. Sono seguite molecole capaci di bloccare la formazione del ghiaccio, che sopprimono la cristallizzazione anche a concentrazioni più basse. Le formulazioni più recenti hanno inoltre riequilibrato le componenti non penetranti per ridurre i danni associati al raffreddamento. Le soluzioni oggi impiegate sull'essere umano sono il risultato di questa evoluzione. Tomorrow.bio e il Cryonics Institute usano una versione ottimizzata di una soluzione chiamata VM1, composta da parti quasi uguali di dimetilsolfossido e glicole etilenico. Altri fornitori usano formulazioni proprietarie diverse. Le due strade riflettono compromessi diversi tra costo e documentazione disponibile: VM1 costa molto meno per singolo caso. I ricercatori dispongono anche di una misura predittiva della tossicità, indicata come qv*, che aiuta a progettare miscele capaci di vitrificare in modo affidabile causando il minor danno possibile. Il crioprotettore non è quindi un'entità fissa, ma una formulazione in continua evoluzione: ogni miglioramento può aumentare la qualità della crioconservazione e contribuire al progresso del settore, il tema di come si può far progredire questo campo.
Il problema aperto che nessuno nasconde
Resta un'ultima complicazione, ed è onesto dirlo. Alle temperature criogeniche, la tossicità dei crioprotettori è estremamente ridotta, perché le reazioni chimiche e biologiche rallentano fino a livelli trascurabili. La tossicità è un problema legato al riscaldamento. Durante il riscaldamento, gli agenti dovrebbero essere rimossi rapidamente e in modo controllato, per evitare ulteriori danni al tessuto. Riuscirci richiederà tecnologie mediche future capaci di gestire la rianimazione: oggi il problema non è risolvibile. È importante precisarlo: al momento la rianimazione non è possibile, e affermare il contrario sarebbe fuorviante. L'ipotesi è che una civiltà capace di trattare la causa del decesso possa anche gestire un riscaldamento controllato e utilizzare le informazioni biologiche preservate dalla struttura conservata.
La ricerca in corso presso Tomorrow.bio e altrove si concentra in larga misura su questo equilibrio: massimizzare la protezione dal ghiaccio riducendo al minimo la tossicità. Ogni miglioramento della miscela può aumentare la fedeltà con cui viene preservata la struttura di una persona durante il raffreddamento a −196 °C.
In sintesi: i crioprotettori riducono la formazione di ghiaccio e rendono possibile la vitrificazione. Possono però causare tossicità e stress osmotico; per questo concentrazione, temperatura e modalità di somministrazione devono essere controllate con attenzione.
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