Idén om att kryogeniskt frysa en person för att bevara sin kropp tills många år in i framtiden har länge varit en stapelvara i science fiction-historier. Dock, behovet av att på ett tillförlitligt sätt lagra biologiskt material såsom celler eller vävnad är ett vanligt bekymmer för vetenskaplig forskning och, alltmer, för samhället också.

Oavsett om det är mörkt, kvävande djupt hav eller skållning, bubblande termiska pooler, livet hittar ett sätt att kalla det hem. Så, det är inte en överraskning att fiskar som lever i de iskalla vattnet i Arktis och Antarktis kan ge inspiration till en ny generation av kryoskyddande molekyler.

Fisken, och andra extremofiler vid kall temperatur, producera proteiner som kan känna igen och binda till is när den bildas, fungerar som ett frostskyddsmedel. Iskristaller kan göra mycket skada på kroppen, från att få proteiner att klumpa ihop sig till att försvaga strukturerna som håller samman vävnaden.

Detta ledde till att professor Matthew Gibson vid Warwick University i Storbritannien försökte återskapa förmågan hos isbindande proteiner med hjälp av syntetiska polymerer. Dessa har fördelen att de är lättare att justera eller "justera" för att passa deras syfte och att tillverka i skala.

"Vi kan göra det lite mer justerbart eftersom du har bokstavligen tusentals olika monomerer som du kan använda för att göra en polymer, " sa han. "Vårt mål var, om vi kan härma några av dessa egenskaper, att tillämpa dessa för att förbättra eller ändra hur vi fryser celler."

Genom CRYOSTEM-projektet, Prof. Gibson testade dessa polymerer genom att lägga till dem i prover av benmärgsstamceller, som ofta fryses när de transporteras för transplantation. Det nuvarande systemet innebär att man tillsätter lösningsmedel för att skydda cellerna vid frysning. Dock, det är inte idealiskt. En betydande del av cellerna överlever inte och lösningsmedlet i sig kan påverka dem.

Prof. Gibson har kunnat visa att hans polymerer kan minska mängden lösningsmedel som behövs för kryokonservering, minska skadorna på cellerna. Detta tillvägagångssätt kan också hjälpa biomedicinsk forskning, gör det möjligt för forskare att på ett mer tillförlitligt sätt lagra och tina ett bredare utbud av celler i laboratoriet.

Han utökar nu detta arbete genom ICE PACK-projektet för att applicera kryoskyddande polymerer på det växande området av biologiska behandlingar. Traditionella läkemedel är vanligtvis små molekyler som kan sättas i tablettform och kommer att vara stabila i medicinskåpet i månader. Nu, fler och fler av de moderna bästsäljande läkemedlen är proteiner, såsom antikroppar för att behandla artrit eller cancer, som måste förvaras mycket mer noggrant.

Ännu mer känsliga är cellbaserade terapier som CAR T-celler, som är modifierade immunceller som används för att behandla cancer. Just nu, cellbaserade terapier är sällsynta och mycket dyra, men i framtiden, de kan bli vanligare.

"De har en ganska komplex process, där de samlas in från givaren och sedan behöver de modifieras, frysning och frakt, " sa prof. Gibson. "Allt du kan göra för att se till att de skyddas så gott de kan, eller göra kylkedjan enklare, kommer att ha en riktigt stor (effekt på) patientresultat."

Den ultimata drömmen

Zooma ut från enskilda proteiner eller celler och bilden blir ännu mer komplicerad.

"Is kan bildas i och utanför cellen. Beroende på var isen bildas, det är störande för cellulära strukturer eller extracellulära strukturer – till exempel, den extracellulära matrisen i vilken cellerna är inbäddade, " sa professor Ilja Voets vid Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna.

Utmaningen med att frysa vävnadsprover är ett annat område där analoger av isbindande proteiner kan hjälpa. Som en del av PROTECT-projektet, Prof. Voets är särskilt intresserad av frysning och upptining av hjärtceller och vävnader. För närvarande, endast ungefär hälften av cellerna är användbara efter frysning när man studerar kulturer i laboratoriet. Detta blir ännu svårare när man studerar vävnadsprover.

"Vanligtvis, bevarandeförhållandena är optimala för en celltyp (inom hjärtvävnaden), men inte för de andra typerna, eller inte för vävnaden som helhet, " sa hon. Det är en stor utmaning men de isbindande proteinanalogerna behöver inte bevara vävnaden perfekt för att vara användbar. "Det finns en mycket stark regenerativ förmåga hos vävnader. Så i vissa fall, om skadan är blygsam, då kan vävnaden reparera sig själv och den kan fortfarande användas."

Voets använder mycket högupplöst mikroskopi för att förstå hur olika typer av isbindande proteinanaloger kan förhindra isbildning. Detta kommer att bidra till att skapa förbättrade versioner som kan minska frysskador på vävnad.

Möjligheten att på ett tillförlitligt sätt sätta dina egna vävnadsprover, tinas om det behövs i framtiden, är "en av de ultimata drömmarna, sa Voets.

"Säg att någon har en infarkt (ett område med döda celler), du kommer att kunna transplantera hjärtvävnad från den mycket specifika patienten eftersom du har bankat den. Det kommer att bli fantastiskt, och det kan också minska risken för avslag. Det finns många saker som vi skulle kunna vinna på att kunna sätta in fler typer av celler och vävnader."

Framsteg inom kryokonservering slår redan igenom i samhället. Vissa företag, mestadels i USA, erbjuda äggfrysningstjänster som en förmån till anställda som vill skjuta upp att skaffa barn. Detta fördröjer i huvudsak beslutsfattandet om hur man ska anpassa de konkurrerande behoven av professionell utveckling och barnomsorg, säger professor Thomas Lemke, från Goethe-universitetet i Tyskland. "Detta är vad som ofta kallas en teknisk lösning för ett samhällsproblem, " han sa.

Denna tekniska fix lägger ytterligare börda på individen att anpassa sig så att samhället inte behöver förändras. Prof. Lemke sa att det finns en verklig fara att det kan bli en samhällelig förväntning. Kryokonservering kan bli den ultimata försäkringen. Privata företag erbjuder redan banktjänster för navelsträngsblod, som är rik på stamceller. Kanske i framtiden, vi kommer också att kunna banka hjärtvävnad.

Prof. Lemke studerar de samhälleliga effekterna av detta "avstängda liv, "som han kallar det, över hela Europa genom CRYOSOCIETIES-projektet. Han undersöker hur kryokonserveringsmetoder har utvecklats och hur de påverkar vårt beslutsfattande.

Medan samhällen ofta har förknippat kyla med döden, kryokonservering skapar nya möjligheter från sjukvård till biologisk mångfald.

"Det är inte längre tillståndet av icke-transformation, att förbli inert. Men hellre, det mobiliserar saker och det öppnar upp alternativ, " sade prof. Lemke. "Vårt kulturella bildspråk av frusenhet är på väg att förändras."