Duitse wetenschappers tonen aan dat de hippocampus, een cruciaal gebied voor het geheugen, kan worden gecryopreserveerd en weer kan gaan functioneren.
Een onderzoeksteam van de Friedrich-Alexander-Universiteit in Erlangen-Nürnberg (Duitsland) heeft een mijlpaal bereikt op het gebied van cryopreservatie: voor het eerst zijn ze erin geslaagd om volwassen hersenweefsel van een muis zijn functionele activiteit terug te laten krijgen nadat het bij temperaturen van -196 °C was gevitrificeerd.
De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), toont aan dat de hippocampus — het hersengebied dat verantwoordelijk is voor het geheugen en het leren — kan worden onderworpen aan een vitrificatieproces, dagenlang kan worden opgeslagen en, na ontdooien, zijn structuur, zijn metabolisme en, het belangrijkste, zijn vermogen om elektrische signalen tussen neuronen door te geven, kan herstellen.
We tonen het herstel op korte termijn aan van de volwassen muizenhipocampus na vitrificatie van hersenschijfjes en van de volledige hersenen in situ, schrijven de auteurs in de inleiding van het artikel. De belangrijkste kenmerken van de hippocampus blijven behouden, waaronder de structurele integriteit, de metabole responsiviteit, de neuronale prikkelbaarheid en de synaptische transmissie en plasticiteit.
Wat is vitrificatie en waarom is het belangrijk?
Om deze doorbraak te begrijpen, moet je eerst het probleem begrijpen dat hiermee wordt opgelost. Wanneer biologisch weefsel met conventionele methoden wordt ingevroren, verandert het water dat het bevat in ijs. De ijskristallen breken bij hun vorming de celstructuren, beschadigen de membranen en vernietigen de verbindingen tussen neuronen. Het is alsof bij het invriezen van een computer het ijs alle kabels en verbindingen van de circuits zou breken.
Vitrificatie is een andere techniek. In plaats van het weefsel te bevriezen, wordt ernaar gestreefd het te stollen in een glasachtige toestand, vergelijkbaar met glas, zonder dat er ijskristallen worden gevormd. Hiervoor wordt een groot deel van het water in het weefsel vervangen door cryoprotectieve stoffen — een mengsel van chemische verbindingen die als antivriesmiddelen werken — en vervolgens wordt het zo snel afgekoeld dat de watermoleculen geen tijd hebben om zich te ordenen en kristallen te vormen.
Het team onder leiding van Alexander German heeft een variant van een vitrificatieoplossing genaamd V3 gebruikt, die dimethylsulfoxide, ethyleenglycol, formamide en polyvinylpyrrolidon bevat.
Resultaten: weefsel dat “ontwaakt”
De onderzoekers hebben het gevitrificeerde weefsel met behulp van meerdere technieken getest. Het eerste wat ze vaststelden, was dat de structuur intact was gebleven. Met behulp van elektronenmicroscopie zagen ze dat de neuronen hun dendrieten (de uitlopers die signalen ontvangen), hun dendritische uitlopers (waar de verbindingen tot stand komen) en hun mitochondriën (de energiecentrales van de cel) behouden hadden.
Elektronenmicroscopie onthulde een goed bewaarde ultrastructuur in de CA1-regio van de hippocampus na vitrificatie. Onmiddellijk na voltooiing van het vitrificatieprotocol en het afvoeren van CPA werd af en toe zwelling van astrogliale en mitochondriale cellen (m) waargenomen (i). Na 10 uur incubatie in aCSF bij kamertemperatuur zijn de ultrastructuur, inclusief de mitochondriën en synapsen (s) (ii), het neuron met dendriet (d) en kern (n) en het endoplasmatisch reticulum (ER) (iii), de vergrote synaps en de myeline (my) (iv) niet te onderscheiden van de controlecoupes. Bron: A. German et al. 2026
Vervolgens maten ze het metabolisme. Met behulp van een Seahorse-analysator, die het zuurstofverbruik van de cellen meet, constateerden ze dat de mitochondriën van het gevitrificeerde weefsel nog steeds functioneerden, zij het op een iets lager niveau dan dat van vers weefsel. Het relevante gegeven is dat de metabole schade voornamelijk te wijten was aan de blootstelling aan cryoprotectiva, niet aan het invriesproces zelf.
Maar de ultieme test was om te zien of de neuronen signalen konden doorgeven. Hiervoor voerden de wetenschappers elektrofysiologische registraties uit, waarbij ze de verbindingen tussen neuronen (synapsen) elektrisch stimuleerden en de reacties maten.
De resultaten toonden aan dat de synapsen reageerden. De basisoverdracht werkte. Ook de kortetermijnplasticiteit, dat is het vermogen van synapsen om sterker of zwakker te worden als reactie op recente activiteit. En wat nog opmerkelijker is: langetermijnpotentiëring (LTP), een proces dat wordt beschouwd als de cellulaire basis van leren en geheugen.
Verschillen tussen soorten neuronen
Opmerkelijk genoeg reageerden niet alle neuronen op dezelfde manier op het proces. De piramidale cellen in de CA1-regio vertoonden na vitrificatie een verminderde prikkelbaarheid: ze hadden meer stroom nodig om een actiepotentiaal te genereren. Daarentegen behielden de granulaire cellen van de dentate gyrus (een andere regio van de hippocampus) hun vermogen om te vuren en vertoonden ze zelfs enkele veranderingen in hun elektrische eigenschappen die de onderzoekers interpreteren als mogelijke aanpassingen.
De verschillende gevoeligheid voor het vitrificatieproces zou te wijten kunnen zijn aan variaties in celgrootte, membraaneigenschappen of intrinsieke metabolische activiteit, leggen de auteurs uit. Deze verschillen zouden van invloed kunnen zijn op hoe de cellen reageren op het binnenkomen en verlaten van de cryoprotectiva en op de toxiciteit daarvan.
De onderzoekers stelden ook vast dat het remmende netwerk van de hersenen — de remmen die ongecontroleerde activiteit voorkomen — intact bleef. Ze registreerden interneuronen, de cellen die verantwoordelijk zijn voor het remmen van de activiteit, en constateerden dat deze normaal functioneerden. Dit is cruciaal omdat een onbalans tussen excitatie en remming epilepsie of andere aandoeningen zou kunnen veroorzaken.
Van de hersenen naar de reageerbuis: de sprong naar het volledige orgaan
De volgende stap was ambitieuzer: niet alleen delen, maar de volledige hersenen in de schedel vitrificeren. Hiervoor ontwikkelden de onderzoekers een protocol voor vasculaire perfusie, waarbij de cryoprotectieve oplossingen via de aorta werden ingebracht zodat ze de hele hersenen bereikten.
Dit proces bleek veel complexer. De bloed-hersenbarrière, die de hersenen beschermt tegen vreemde stoffen, bemoeilijkt de opname van de cryoprotectanten. Bijzonder problematisch zijn de zogenaamde astrocyten, cellen die de bloedvaten bekleden en een eiwit tot expressie brengen dat aquaporine 4 heet, dat de doorgang van water vergemakkelijkt maar niet die van de cryoprotectanten. Dit zorgt ervoor dat de hersenen tijdens de perfusie water verliezen en uitdrogen voordat de cryoprotectanten de cellen zijn binnengedrongen.
De onderzoekers probeerden verschillende strategieën uit. De oplossing was een protocol van “geïntercaleerde evenwichtsvorming”, waarbij perfusie met vitrificatieoplossing werd afgewisseld met drageroplossing om de hersenen gedeeltelijk te rehydrateren. Met deze methode slaagden ze erin hersenen te verkrijgen die tussen 70% en 80% van hun massa behielden en hun bolle vorm behielden. Na het vitrificeren, opslaan en ontdooien van deze hersenen herhaalden ze de analyses.
De resultaten waren wisselender – slechts één op de drie pogingen leverde levensvatbaar weefsel op – maar in die succesvolle gevallen vertoonden de neuronen van de dentate gyrus activiteit. De cellen hadden een iets meer gedepolariseerd (minder negatief) membraanpotentiaal dan de controles, maar vuurden normaal actiepotentialen af en vertoonden zelfs een grotere prikkelbaarheid bij intense stimulatie.
Beperkingen en voorzorgsmaatregelen
De auteurs waarschuwen zelf voor de beperkingen van hun studie. De belangrijkste is dat ze het weefsel slechts enkele uren na het ontdooien hebben geobserveerd – de stukjes hersenen gaan na 10 tot 15 uur van nature achteruit – waardoor ze niet weten wat er op de lange termijn gebeurt.
Ook hebben ze de moleculaire effecten niet geanalyseerd: welke genen worden geactiveerd of gedeactiveerd als reactie op de stress van het proces, of dat er veranderingen in de eiwitten optreden. Bovendien werkt de gebruikte koelmethode, geleiding door een koperen cilinder, alleen voor kleine monsters. Voor volledige menselijke organen zouden volumetrische koeltechnieken nodig zijn, zoals verwarming door radiofrequentiegolven of magnetische nanodeeltjes.
Onze resultaten mogen niet worden geïnterpreteerd als direct toepasbaar op de cryopreservatie van grote organen, nuanceren de auteurs. En ze voegen een waarschuwing toe over de mogelijke implicaties voor cryoniek (het bewaren van menselijke lichamen in de hoop ze in de toekomst weer tot leven te wekken): Ons model geeft geen weergave van perimortale veranderingen [de veranderingen die plaatsvinden op het moment van overlijden], waardoor de potentiële implicaties voor de ethische en morele discussies rond cryonische bewaring van overledenen beperkt zijn.
Ondanks deze beperkingen opent de studie nieuwe mogelijkheden. Op het gebied van onderzoek zou het mogelijk maken om hersenmonsters tussen laboratoria te verspreiden zonder dat ze hun functionaliteit verliezen, waardoor de reproduceerbaarheid van experimenten wordt verbeterd en het aantal benodigde dieren wordt verminderd. Het zou ook de structurele studie van de hersenen in een bijna natuurlijke toestand vergemakkelijken, door middel van technieken zoals cryosubstitutie voor elektronenmicroscopie.
Maar de bevinding heeft een diepere betekenis.
Het toont aan dat hersenactiviteit geen proces is dat een continue stroom van bewegende moleculen vereist. Zelfs na een totale stilstand, wanneer de moleculen onbeweeglijk zijn in een glasachtige toestand bij -196 °C, wordt de activiteit hervat bij terugkeer naar normale omstandigheden.
Dit versterkt het idee dat hersenfunctie een emergente eigenschap is van de hersenstructuur, concluderen de auteurs in de discussie. Dat wil zeggen dat als de structuur – de verbindingen tussen neuronen – intact blijft, de functie kan worden hersteld.
In de woorden van het onderzoeksteam: We tonen aan dat de hersenen opmerkelijk robuust zijn, niet alleen bij een bijna volledige stilstand door onderkoeling, maar zelfs bij een volledige stilstand in een glasachtige toestand bij -196 °C. De studie betekent een stap vooruit in het begrip van de tolerantielimieten van hersenweefsel en brengt de nog verre mogelijkheid om complexe organen te bewaren voor transplantaties, of in een nog speculatiever toekomst voor andere toepassingen, een stukje dichterbij.
De auteurs sluiten af met een reflectie over de betekenis van hun bevinding: Onze resultaten verleggen de bekende biofysische grenzen voor hypothermische hersenstilstand door herstel aan te tonen na volledige stopzetting van de moleculaire beweging in de glasachtige toestand, en dragen daarmee bij aan het bereiken van het doel van structurele en functionele behoud van neuraal weefsel.
