Wie Wissenschaftler Organe in Schweinen eine Stunde nach ihrem Tod wiederbelebten

Sauerstoff ist das Lebenselixier. Stoppen Sie seinen Fluss – während eines Schlaganfalls, Herzinfarkts oder Todesfalles – und das Gewebe des Körpers reagiert in einem biologischen Sturm, der schließlich zu ihrem Tod führt.

Es ist nicht gut für Organtransplantationen. Die meisten gespendeten Organe kämpfen darum, über den Tod hinaus zu überleben. Ohne Sauerstoff verlieren sie schnell ihre Funktion. Zellen verwandeln sich in säurehaltige, aufgeblähte Blobs, die auslaufen und ihre Nachbarn verletzen. Das Immunsystem fährt hoch und pumpt eine tödliche Mischung aus Hormonen und Immunchemikalien aus, die das Gehirn und das Immunsystem auf Hochtouren bringen und dabei die meisten Organe schädigen. Mit anderen Worten, sobald der Tod eingetreten ist, gibt es kein Zurück mehr.

Oder ist es da?

Eine neue Studie in Natur schlägt vor, dass es sein könnte. Mithilfe eines externen Zirkulationssystems hat ein Team von Wissenschaftlern die Organe von Schweinen Stunden nach ihrem Tod teilweise wiederbelebt. Das System namens OrganEx funktioniert wie ein alternatives Kreislaufsystem. Anstelle von Blut pumpt es einen synthetischen Ersatzstoff, um den Körper dazu zu bringen, zu glauben, dass er noch einigermaßen am Leben ist.

Um es klar zu sagen, die Wissenschaftler haben keine Schweine-Zombies gemacht. Obwohl das Blutersatzrezept dazu beitrug, etwas Gehirngewebe zu erhalten, reaktivierte es keine koordinierte elektrische Aktivität in Neuronen. Mit anderen Worten, es ist äußerst unwahrscheinlich, dass die Schweine während des Eingriffs wieder zu Bewusstsein kamen. Aber auch andere Körperorgane erhielten einen potenziellen Schub für ein zweites Leben. Zellen in Herz, Leber und Nieren reparierten sich selbst basierend auf mehreren molekularen Analysen.

Das Ziel ist nicht, einen New-Age-Frankenstein zu bauen. Vielmehr soll es bei der Strömung helfen Organtransplantation Mangel und gesundheitliche Notfälle, die durch einen eingeschränkten Blutfluss verursacht werden. „Der Erfolg weist Wege zur Verbesserung von Transplantationen und der Behandlung von Schlaganfällen und Herzinfarkten auf“, schrieb Dr. Robert Porte von der Universität Groningen in den Niederlanden, der nicht an der Studie beteiligt war.

Es ist nicht der erste Versuch des Teams, tote Organe wiederzubeleben. Zurück in 2019, lösten sie bei Schweinen vier Stunden nach ihrem Tod Gehirnaktivität aus und lösten einen Feuersturm darüber aus, wie man den Tod definiert. „Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte war der Tod sehr einfach … jetzt müssen wir uns fragen, was irreversibel ist.“ sagte Dr. Christof Koch, damaliger Präsident und leitender Wissenschaftler am Allen Institute of Brain Science.

„Dies ist eine wirklich bemerkenswerte und unglaublich bedeutsame Studie. Es zeigt, dass Zellen in Organen von Säugetieren (einschließlich Menschen) wie dem Gehirn nach dem Tod nicht viele Stunden lang sterben.“ sagte Dr. Sam Parnia von der New York University, der nicht an der Studie beteiligt war.

Neustart des Gehirns

Die ersten Bits des Todes sind nicht schön. Wenn den Zellen Sauerstoff entzogen wird, geraten ihre inneren molekularen Prozesse auf den Kopf. Der Prozess wird als Ischämie bezeichnet, was einen Mangel an Blut bedeutet, das normalerweise Sauerstoff transportiert. Wie ein Tal ohne Wasser ist es ein schlechtes Zeichen: Eine Ischämie des Herzens kann einen Herzinfarkt auslösen; zum Gehirn, ein Schlaganfall.

Die Lösung sollte einfach sein. Fügen Sie den Zellen mehr Sauerstoff hinzu, wie Wasser den Pflanzen, und sie sollten sofort munter werden.

Nicht ganz. Durch Versuch und Irrtum erkannten die Wissenschaftler, dass das Pumpen von sauerstoffarmem Gewebe – sagen wir, einem Gehirn oder Herz – mit sauerstoffreichem Blut Ursachen hat mehr Verletzung. Es ist, als würde man einen ausgetrockneten Kaktus plötzlich überwässern und seine Wurzeln verfaulen lassen.

Wir sind uns immer noch nicht ganz sicher, warum dies passiert, aber Wissenschaftler haben Ideen entwickelt. Ein erster Durchbruch desselben Teams gelang 2019, als sie eine Technik namens Brain entwickeltenEx zur Wiederherstellung einer gewissen neuralen Funktion bei 32 Schweineköpfen nach 6 Stunden Sauerstoffmangel. Beim Pumpen einer aufgewärmten Konservierungsflüssigkeit in die Arterien des Gehirns zeigten die Gehirnzellen normale Stoffwechselaktivitäten und behielten ihre Struktur – die normalerweise beim Tod zusammenbrechen würde. Einzelne Neuronen funkten auch mit elektrischen Ausbrüchen, aber die Gehirne zeigten keine Anzeichen von ausgeklügelter neuronaler Aktivität oder Bewusstsein.

Doch die Ergebnisse brachten Studienautor Dr. Nenad Sestan von der Yale University auf eine Idee. Das Gehirn ist ein außerordentlich empfindliches Organ, das anfällig für Sauerstoffmangel ist. Wenn wir es etwas neu starten können, warum nicht dasselbe für Organe im ganzen Körper tun?

„Wenn Sie eine Funktion in einem toten Schweinehirn wiedererlangen können, können Sie dies auch in anderen Organen tun“, sagte er sagte.

Alles, überall, alles auf einmal

Gehen wir zurück.

Beim Tod hört das Herz auf zu pumpen. Das bedeutet, dass allen Geweben Sauerstoff und Nährstoffe entzogen werden und sie selbst nach der Reperfusion mit Blut absterben. Ihre Schutzmembranen brechen zusammen. Organe verlieren ihre strukturelle Integrität.

Der Trick, um das Gewebe gesund zu halten, ist eine spezielle Flüssigkeit namens kryoprotektives Perfusat. Betrachten Sie es als einen unglaublich nahrhaften Smoothie, der direkt in Ihren Blutkreislauf gelangt. Oder biologisches flüssiges Gold. Die Autoren haben ein Rezept: Hemopure, eine Chemikalie, die Proteine ​​in roten Blutkörperchen nachahmt, um den Sauerstofftransport zu unterstützen; Chemikalien zum Schutz vor Blutgerinnseln; und eine Fülle von Nährstoffen, um die Zellen vor Schäden zu schützen.

Aber den gesamten Körper zu schützen ist eine viel größere Aufgabe als nur die Erhaltung einiger neuronaler Funktionen. In der neuen Studie haben die Autoren ein paar Änderungen an ihrem Rezept vorgenommen. Eine Hauptaufgabe war das Hinzufügen von Komponenten, die helfen, das Immunsystem in Schach zu halten. Eine andere war das Einstreuen von Elektrolyten, um absterbendem Gewebe zu helfen, und das Ändern der Art von Antibiotika. Sie nannten ihre neue Technologie OrganEx.

Um das „künstliche Blut“ zu transfundieren, baute das Team ein automatisiertes System auf, das das Perfusat in den Blutkreislauf der Schweine pumpt. Sie alle waren eine Stunde zuvor an einem Herzstillstand gestorben und hatten keinen Puls mehr. Das Team stellte sein OrganEx-System dem Goldstandard der Versorgung gegenüber – ECMO oder ein extrakorporales Membranoxygenierungsgerät – das Krankenhäuser als Ave-Maria-Versuch für Menschen verwenden, die mit Sauerstoff zu kämpfen haben, zum Beispiel Covid-19.

Sechs Stunden später überprüften sie die Ergebnisse. ECMO war nicht in der Lage, alle Organe richtig mit Sauerstoff zu versorgen. Einige der kleineren Blutgefäße waren kollabiert. Im Gegensatz dazu hatten die mit dem OrganEx-System behandelten Tiere nur wenige Probleme mit Elektrolyten oder Übersäuerung, was häufige Probleme bei zerfallenden Zellen sind. Wenn man tiefer gräbt, schienen drei Arten von Gehirnzellen besser im präfrontalen Cortex (einer Gehirnregion an der Vorderseite des Kopfes, die für das Denken und andere exekutive Funktionen wichtig ist) zu konservieren.

Über das Gehirn hinaus testete das Team als nächstes OrganEx an einer ganzen Reihe von Körperorganen wie Herz, Lunge, Leber, Nieren, und Bauchspeicheldrüse. Das System schien die Zirkulation wieder in Gang zu bringen, wobei Sauerstoff zu den Geweben im Körper floss. Einige Teile der Organe nahmen Glukose auf, eine Art Zuckerzelle, die häufig für den Stoffwechsel verwendet wird. Die Lebern von mit OrganEx behandelten Schweinen gaben im Gegensatz zu denen unter ECMO auch ein normales Protein ab. Auch die genetische Programmierung der Zellen erwachte wieder zum Leben, indem Gene hochgefahren wurden, die an der Reparatur und Wiederherstellung von Zellen beteiligt sind.

„Unter dem Mikroskop war es schwierig, den Unterschied zwischen einem gesunden Organ und einem nach dem Tod mit der OrganEx-Technologie behandelten Organ zu erkennen.“ sagte Studienautor Dr. Zvonimir Vrselja.

Wenn Sie es nicht sagen können, spielt es eine Rolle?

Ja tut es. Obwohl OrganEx hilft, die Organe von Schweinen zu revitalisieren, ist es weit davon entfernt, dass ein verstorbenes Tier wieder zum Leben erweckt wird. Vielmehr wurden ihre Organe besser vor Sauerstoffmangel geschützt, der bei Herzinfarkten oder Schlaganfällen auftritt.

„Man könnte sich vorstellen, dass das OrganEx-System (oder Komponenten davon) verwendet werden könnte, um solche Menschen im Notfall zu behandeln“, sagte Porte.

Die Technologie könnte auch dazu beitragen, Spenderorgane zu erhalten, aber es ist noch ein langer Weg. Für Dr. Brendan Parent, Direktor für Transplantationsethik und Politikforschung an der NYU Grossman School of Medicine, könnte OrganEx ein Umdenken in diesem Bereich erzwingen. Ist es zum Beispiel möglich, dass jemand funktionierende periphere Organe hat, aber nie das Bewusstsein wiedererlangt? Mit der Weiterentwicklung der Medizintechnik wird der Tod zu einem Prozess, nicht zu einem Moment.

„Diese Situation ist in medizinischen Fachkreisen als ‚Brücke ins Nirgendwo‘ bekannt und ist mit dem zunehmenden Einsatz von ECMO bei ECPR [extrakorporale kardiopulmonale Reanimation] bereits häufiger geworden“, schrieb Elternteil.

Für den Moment legt die Studie nahe, dass Gewebe und Organe eine überraschende Fähigkeit haben, sich zu regenerieren, nachdem ihnen Blut entzogen wurde. „Insgesamt wird eine weitere Optimierung und Erweiterung unserer Technologie erforderlich sein, um ihre breiteren Auswirkungen auf ischämische Gewebe und die Genesung vollständig zu verstehen“, sagten die Autoren.

Bildnachweis: David Andrijevic, Zvonimir Vrselja, Taras Lysyy, Shupei Zhang; Sestan-Labor; Yale School of Medicine. OrganEx stellt Gewebefunktionen eine Stunde nach dem Tod wieder her; die Nieren gewinnen ihre Struktur zurück.