Bärtierchen-Protein-Trick könnte Blut dabei helfen, Einfrieren zu überstehen

Bärtierchen als Vorlage für das Überleben des Einfrierens

Bärtierchen, die mikroskopisch kleinen Lebewesen, die oft Wasserbären genannt werden, haben einen überproportionalen Ruf für Widerstandsfähigkeit. Sie können festgefroren, ausgetrocknet werden, bis fast ihr gesamtes Wasser verschwunden ist, und dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt werden, und erwachen wieder zum Leben, sobald sich die Bedingungen verbessern. Forschende haben den Tieren sogar winzige Tattoos verpasst, und sie schienen durch das Verfahren unbeeinträchtigt. Diese Widerstandsfähigkeit hat Bärtierchen zu einer Art biologischem Katalog der Überlebensstrategien gemacht, und Wissenschaftler durchforsten diesen Katalog nun nach Möglichkeiten, menschliche Zellen zu schützen.

Eines der praktischsten Ziele ist die Kryokonservierung roter Blutkörperchen, jene Technik, die es Blutbanken ermöglicht, seltene Blutgruppen über lange Zeiträume einzufrieren und zu lagern, bis ein Patient sie benötigt. Die Methode funktioniert, doch sie birgt einen hartnäckigen Nachteil, der das Feld seit Jahrzehnten prägt.

Das Glycerin-Problem

Bevor Blutzellen eingefroren werden, werden sie typischerweise mit Glycerin behandelt. Die Verbindung wirkt als Kryoschutzmittel, indem sie das Wachstum von Eiskristallen stört, die sonst Zellmembranen durchbohren und zerstören würden. Ohne einen solchen Schutz ist das Einfrieren tödlich.

Die Komplikation tritt später auf. Glycerin kann nicht einfach einem Patienten transfundiert werden, daher muss es nach dem Auftauen aus den Zellen entfernt werden. Dieser Entfernungsschritt ist selbst schädlich, er belastet genau jene Zellen, die der Gefriervorgang schützen sollte, und er erhöht den Aufwand, die Zeit und die Kosten eines Verfahrens, das ohnehin Präzision verlangt.

Was Blutbanken bevorzugen würden, ist eine Schutzstrategie, die Zellen durch das Einfrieren hindurch intakt hält und dann sauber verschwindet, ohne einen strapaziösen Waschschritt. Hier kommt das Bärtierchen ins Spiel.

Wie CAHS-Proteine zusammen mit Zucker wirken

Bärtierchen überstehen extreme Bedingungen mit Hilfe einer Klasse von Molekülen, die als CAHS-Proteine bekannt sind, kurz für cytosolic abundant heat-soluble proteins. Diese Proteine sind nicht nur bemerkenswert, weil sie in einem Tier vorkommen, das Einfrieren und Austrocknung gelassen hinnehmen kann, sondern auch wegen der Art, wie sie zusammen mit Trehalose wirken, einem Zucker, der Zellmembranen und Proteine stabilisiert. Trehalose ist auch außerhalb des Labors eine vertraute Zutat: Sie wird häufig eingesetzt, um Gefrierbrand in tiefgekühlten Lebensmitteln zu begrenzen.

Diese Partnerschaft zwischen einem Bärtierchen-Protein und einem membranstabilisierenden Zucker war es, die die Aufmerksamkeit der Forschenden erregte. Statt die Kombination als Kuriosität zu betrachten, fragten sie, ob sie das in der Blutbankmedizin verwendete Standard-Kryoschutzmittel übertreffen könnte.

Test eines Fragments, nicht des ganzen Proteins

Hui Yang, Leming Sun und ihre Kollegen wollten wissen, ob die Kombination von CAHS-Proteinen mit Trehalose rote Blutkörperchen wirksamer schützen könnte als Glycerin allein. Ihre Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces, herausgegeben von der American Chemical Society (DOI: 10.1021/acsami.6c12445).

Das Team verwendete nicht das vollständige CAHS-Protein. Stattdessen stellten sie fest, dass ein bestimmter Abschnitt davon die angestrebte Schutzwirkung erzielte – eine Vereinfachung, die erheblich von Bedeutung sein könnte, falls der Ansatz jemals für den routinemäßigen Einsatz hochskaliert wird.

Als dieses Fragment bei niedriger Temperatur mit Trehalose kombiniert und die Probe anschließend in flüssigem Stickstoff eingefroren wurde, veränderten die beiden Bestandteile die Art und Weise, wie sich Eis bildete und später schmolz. Dieses veränderte Eisverhalten schirmte die Zellen vor Schäden ab. Nach dem Auftauen konnte die CAHS-Trehalose-Kombination durch Zentrifugation, eine Standardlabortechnik, abgewaschen werden, statt durch den strapaziöseren Prozess der Glycerin-Entfernung.

Die Erholungszahlen

Der Leistungsvergleich war ermutigend. Bis zu 89 % der mit der neuen CAHS-Trehalose-Methode konservierten roten Blutkörperchen von Mäusen erholten sich vollständig, verglichen mit etwa 82 % der mit Glycerin eingefrorenen Zellen.

Sun, ein korrespondierender Autor der Studie, beschrieb die Bemühung als eine frühe Phase der Übertragung von Biologie in eine praktische Methode. "Diese Studie war unser erster Versuch, eine Lektion von einem außergewöhnlich widerstandsfähigen Organismus in eine praktische Zellkonservierungsstrategie zu übertragen", sagte Sun. "Wenn sie weiterentwickelt wird, könnte sie den Prozess nach dem Auftauen einfacher machen, Bedenken im Zusammenhang mit restlichem Glycerin verringern und helfen, die Qualität gelagerter Zellen zu erhalten."

Die Ergebnisse mit Vorsicht lesen

Mehrere Einschränkungen sind hier wichtig. Das Experiment verwendete rote Blutkörperchen von Mäusen, nicht menschliche Zellen, und es stellt einen ersten Versuch dar, kein fertiges Protokoll. Die Verbesserung gegenüber Glycerin ist, obwohl in diesem Rahmen real, ein Unterschied von einigen Prozentpunkten und kein dramatischer Sprung. Jede eventuelle Anwendung in der Transfusionsmedizin würde eine erhebliche Weiterentwicklung und Validierung erfordern, bevor sie einen Blutbank-Kühlschrank erreichen könnte.

Was die Studie jedoch zeigt, ist ein Machbarkeitsnachweis: Ein von einem der widerstandsfähigsten Tiere des Planeten entlehntes Protein, kombiniert mit einem weit verbreiteten Zucker, kann beeinflussen, wie sich Eis um Zellen herum verhält, und deren Überleben durch einen Gefrier-Auftau-Zyklus verbessern. Sie weist zudem auf einen Kryokonservierungs-Workflow hin, bei dem das Schutzmittel leichter zu entfernen ist, was den Tribut verringern könnte, den Auftauen und Aufreinigung derzeit von gelagerten Zellen fordern.

Wichtige Punkte aus der Forschung

• Bärtierchen ertragen Einfrieren, extreme Austrocknung und das Vakuum des Weltraums und haben sogar das Anbringen winziger Tattoos toleriert.
• Die herkömmliche Lagerung roter Blutkörperchen beruht auf Glycerin, das vor einer Transfusion entfernt werden muss und Zellen während der Entfernung schädigen kann.
• Forschende kombinierten Trehalose, einen membranstabilisierenden Zucker, mit einem Abschnitt des Bärtierchen-CAHS-Proteins statt mit dem vollständigen Protein.
• In flüssigem Stickstoff eingefroren, veränderte die Mischung die Eisbildung und das Schmelzen auf eine Weise, die Zellen schützte.
• Bis zu 89 % der auf diese Weise konservierten roten Blutkörperchen von Mäusen erholten sich vollständig, gegenüber etwa 82 % mit Glycerin.

Warum es über die Laborbank hinaus von Bedeutung ist

Seltene Blutgruppen stellen für jedes Gesundheitssystem eine logistische Herausforderung dar. Sie sind per Definition knapp, sie lassen sich nicht auf Abruf herbeizaubern, und sie müssen über lange Zeiträume verwendbar bleiben, damit sie verfügbar sind, wenn ein bestimmter Patient sie benötigt. Eine Konservierungsmethode, die mehr Zellen durch den Gefrier-Auftau-Zyklus intakt hält und danach leichter zu entfernen ist, würde Blutbanken mehr Spielraum geben.

Die Forschung veranschaulicht zudem eine breitere Idee, die in der Biotechnologie Fuß fasst: Organismen, die Extreme tolerieren, sind eine Quelle chemischer und materieller Lösungen für Probleme in der Medizin. Die Überlebenstricks des Bärtierchens haben sich für Umgebungen entwickelt, die die meisten Lebensformen töten würden, und selbst ein kleines Stück dieses Werkzeugkastens – ein Proteinfragment plus ein Zucker – anzupassen, könnte irgendwann verändern, wie Zellen gelagert, versandt und wiedergewonnen werden.

Trehalose selbst ist ein gutes Beispiel dafür, wie unspektakuläre Zutaten ernsthafte Arbeit leisten können. Derselbe Zucker, der tiefgekühlte Lebensmittel vor Gefrierbrand bewahrt, wird als Stabilisator für lebende Zellen getestet, und das CAHS-Fragment scheint ihn in dieser Rolle wirksamer zu machen. Der Mechanismus ist weniger Magie als Chemie: Indem die Mischung in die Art und Weise eingreift, wie Eis keimbildet und schmilzt, verringert sie die physische Belastung fragiler Membranen.

Vorerst bleibt die Arbeit ein erster Schritt, und die Kluft zwischen einem Mauszell-Experiment und einer Krankenhaus-Transfusion ist groß. Doch sie legt nahe, dass die Distanz zwischen einem Tier, das das Vakuum des Weltraums überleben kann, und einem Blutbank-Gefrierschrank geringer sein könnte, als es zunächst scheint.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Lesen Sie den Originalartikel.