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FachbeitragNeue Techniken in der Reproduktionsmedizin

Die schönsten Spermien sind offensichtlich die besten
Fachbeitrag: Neue Techniken in der  Reproduktionsmedizin

Magnus Bach*) und Anja Schué**)


  1. Institut für Reproduktionsmedizin und Endokrinologie, Dr. Zech GmbH, Römerstraße 2, A-6900 Bregenz, m.bach@ivf.at

  1. Leica Microsystems GmbH, Ernst-Leitz-Straße 17–37, D-35578 Wetzlar, anja.schue @leica-microsystems.com

Ein Großteil der Fälle von ungewollter Kinderlosigkeit ist auf männliche Sterilität zurückzuführen. Mit der vor vier Jahren entwickelten Technik der Intrazytoplasmatischen Morphologisch Selektierte Spermieninjektion (IMSI) werden bei diesen Indikationen sehr gute klinische Ergebnisse und deutlich höhere Erfolgsraten erzielt als mit konventioneller In-vitro-Fertilisation. Aufgrund der durch empirische Studien gezeigten signifikanten Korrelation zwischen abnormer Spermienmorphologie und DNA-Schädigungen können mit Hilfe hochauflösender optischer Systeme die morphologisch und funktionell besten Spermien gezielt ausgewählt und injiziert werden. Durch Kombination mit einem funktionellen Test der Eizelle können die Erfolgschancen auf eine Schwangerschaft weiter optimiert werden.
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Seitdem vor fast 30 Jahren das erste Kind im Reagenzglas gezeugt wurde, ist die Reproduktionsmedizin für viele tausend Paare der einzige Weg aus der ungewollten Kinderlosigkeit, wenn man von der Adoption absieht. War anfangs der Eileiterverschluss die Hauptindikation für eine künstliche Befruchtung, wird heute ein Großteil der Behandlungen aufgrund reduzierter Samenqualität durchgeführt. Diese Indikation gilt inzwischen bei 30...40 % der Paare als Ursache für Kinderlosigkeit. In vielen dieser Fälle führen Versuche der konventionellen In-vitro-Fertilisation (IVF) nicht zum gewünschten Erfolg, da die Spermien weder auf natürlichem Wege noch in vitro die Eizelle befruchten können. Mit der vor 15 Jahren entwickelten Technik der Intrazytoplasmatischen Spermieninjektion (ICSI) gelang ein entscheidender Fortschritt, um die Schwangerschaftsraten bei männlicher Sterilität deutlich zu erhöhen. Bei ICSI wird ein einzelnes Spermium in das Zytoplasma einer Eizelle injiziert. Mit dieser Methode konnten deutlich höhere Fertilisationsraten erzielt werden als mit klassischer IVF. Für die Auswahl eines Embryos mit erhöhtem Implantationspotenzial stehen neben optimalen Kulturbedingungen und Transfertechnik die bessere Selektion und somit die Qualität von Ei- und Samenzelle im Vordergrund.

Spermienselektion wichtig für Erfolg

Nachdem anfangs der Auswahl von Spermien für ICSI wenig Bedeutung zugemessen wurde, ergaben Studien der letzten Jahre, dass Spermien einen maßgeblichen Einfluss auf die spätere Embryonalentwicklung haben. Dabei wurde festgestellt, dass die Spermienmorphologie mit der DNA-Integrität korreliert. Auf dieser Basis wurde eine neue Methode entwickelt, um die am besten geeigneten Spermien herauszufiltern: die Intrazytoplasmatisch Morphologisch Selektierte Spermieninjektion (IMSI).

Am Institut für Reproduktionsmedizin und Endokrinologie, Dr. Zech GmbH in Bregenz, das zu den Pionieren der künstlichen Befruchtung in Österreich zählt, wird die IMSI-Methode seit Anfang 2006 sehr erfolgreich eingesetzt. Bei 30 % der ca. 2000 Follikelpunktionen pro Jahr wird hier inzwischen IMSI angewendet. Indikationen für IMSI sind:

  • Erhöhte DNA-Fragmentation.
  • Erfolglose IVF-Behandlung.
  • Erfolglose Implantation.
  • Ungeklärte Infertilität.
  • Keine Befruchtung nach ICSI.
  • Schwere Teratozoospermie.

Eine wesentliche Voraussetzung für IMSI war die Investition in ein hochauflösendes optisches System, mit dem die Spermien ungefärbt und direkt auf Missbildungen bzw. Vakuolen innerhalb des Zellkerns untersucht werden. Bei konventioneller ICSI-Technik werden die Samenzellen lediglich bei 200...400facher Vergrößerung ausgewählt, wobei feinmorphologische Abnormitäten, wie der Vakuolisierungsgrad des Spermienkopfes, gar nicht oder nur diffus zu erkennen sind. Obwohl der Zusammenhang zwischen morphologischen Kriterien und funktioneller Qualität der Spermien – in erster Linie der DNA-Integrität – bislang nur rein empirisch gezeigt werden konnte und der biochemische Beweis noch nicht erbracht ist, gilt das Auftreten von Vakuolen als Hinweis auf mögliche Schäden der Chromatinstruktur. Welche Eigenschaften bei der natürlichen Auswahl der Spermien durch die Eizelle tatsächlich zum Tragen kommen, ist bislang noch weitgehend ungeklärt.

Screenen, selektieren und injizieren

Am Bregenzer Institut kommt für IMSI-Behandlungen das automatisierte Mikromanipulationssystem Leica AM6000 Big S zum Einsatz. Dieses System erlaubt sowohl Screening als auch Selektion und Injektion der Spermien. Herzstück ist das vollautomatisierte inverse Forschungsmikroskop Leica DMI6000 B mit Vario-Zoom für stufenlose Vergrößerung bis 16000x am Monitor und vollautomatisiertem differenziellen Interferenzkontrast (DIC). Über das Multifunktionspult lassen sich die elektrischen Manipulatoren sowie die wichtigsten Mikroskopfunktionen bequem und hochpräzise fernsteuern. Spezielle Stopp-Funktionen erleichtern das Injizieren und verhindern, dass Nadeln abbrechen, indem die Bewegungsrichtung der Manipulatoren in y-Richtung bzw. in z-Richtung ausgeschlossen wird.

Morphologische Klassifizierung

Wie für konventionelle Methoden ist auch für IMSI wichtig, dass die Konzentration der motilen Spermien ausreichend ist. Hinzu kommt, dass Vakuolen durch die Bewegung der Spermien besser quantifiziert und charakterisiert werden können. Bei der Selektion der geeigneten Samenzellen klassifiziert man am Bregenzer Institut nach folgenden Kriterien: Klasse-1-Spermien sind normal geformt, mit regelmäßigem ovalen Kopf und zeigen höchstens kleine Vakuolen, die weniger als 4 % der Gesamtfläche einnehmen. Zu dieser Kategorie zählen über 60 % der Spermien, die in der Regel für IMSI eingesetzt werden. Spermien ohne jegliche Auffälligkeiten sind sehr selten zu finden, sie haben einen Anteil von höchstens 5 %. Klasse-2-Spermien besitzen eine große Vakuole, weisen aber eine normale Form auf. Klasse-3-Spermien sind abnormal geformt, vakuolisiert und zeigen häufig weitere Abnormalitäten. Samenzellen letzterer Klassen werden nur dann für IMSI eingesetzt, wenn keine oder nicht genügend Klasse-1-Spermien gefunden werden. Je nach Befund wird versucht, Samenzellen auszuwählen, die möglichst wenige Auffälligkeiten ausweisen.

Studie belegt höhere Erfolgsraten

In einer eigenen Studie in Bregenz verglichen wissenschaftlicher Leiter Bio ENG Pierre Vanderzwalmen, der auch wesentlich an der Etablierung der IMSI-Technik am Institut beigetragen hat, und Diplom-Biologe Magnus Bach mit seinem Laborteam IMSI mit der herkömmlichen ICSI-Technik. An der ersten dreimonatigen Studie, die 2006 bis 2007 durchgeführt wurde, nahmen 27 infertile Paare teil, bei denen jeweils zwei IVF-Versuche fehlgeschlagen waren. Das Durchschnittsalter der Frauen betrug 34 Jahre. Geschwistereizellen wurden für die IMSI- bzw. ICSI-Methode getrennt. Die Ergebnisse belegen eindeutig die Vorteile der IMSI-Methode, die signifikant bessere Erfolgsraten erzielte. Die Rate der Tag-3-Top-Embryonen lag nach ICSI bei 31 %, nach IMSI bei 43 %. Die Rate der Top-Blastozysten Grad AA am fünften Tag, die letztendlich für den Transfer ausgewählt werden, zeigte noch deutlichere Unterschiede: 9 % bei ICSI und 21 % bei IMSI. In 19 Fällen wurden ausschließlich IMSI-Embryonen transferiert, in sieben Fällen sowohl IMSI- also auch ICSI-Embryonen und nur in einem Fall ausschließlich ICSI-Embryonen. Bei 16 Frauen (59 %) kam es zur Schwangerschaft.

IMSI kombiniert mit Spindelanalyse

Trotz aller höchst vielversprechender Ergebnisse, die mit IMSI erzielt werden, ist diese Technik kein Allheilmittel. IMSI erhöht die Schwangerschaftsraten bei ganz präziser Indikation und kann selbstverständlich nicht eine abnorme Eizellqualität (maternaler Effekt) kompensieren. Deshalb kann es vorteilhaft sein, IMSI mit weiteren Techniken wie der Spindelanalyse zu kombinieren, um die Erfolgschancen zu erhöhen. Die Spindelanalyse ermöglicht eine nicht-invasive morphologische Beurteilung der Eizelle mittels Polarisationsmikroskopie. Die Spindel spielt eine zentrale Rolle bei der meiotischen Reifung der Metaphase-II-Eizelle und sie ist für die sorgfältige Verteilung der Chromosomen verantwortlich. 16...20 % aller Metaphase-II-Eizellen haben keine Spindel. Das Vorhandensein der Spindel ist allerdings neben dem Nachweis des ersten Polkörperchens ein wichtiger Indikator für die Reifung der Eizelle. Mit zunehmendem Alter treten vermehrt Spindel-Abnormitäten auf. Die Abwesenheit der Spindel ist mit einer deutlich reduzierten Befruchtungsrate und schlechter Embryonenentwicklung korreliert. Die Ausrichtung der Spindel hat keinen Einfluss auf ICSI. Dennoch wird üblicherweise versucht, die Eizelle so zu positionieren, dass die Spindel bei der Injektion des Spermiums nicht verletzt wird. Über die Polarisationsmikroskopie ist auch die Zona pellucida mit ihren drei Schichten an Glykoproteinen, die die Eizelle umhüllen, darstellbar. Vor allem die innere Schicht scheint ein weiterer wichtiger Marker für das Entwicklungspotenzial einer Eizelle zu sein. Die bisherigen Erfahrungen aus der Kombination der Spindelanalyse und IMSI sehen die Bregenzer Reproduktionsmediziner als sehr vielversprechend an, um in Zukunft eine weitere Steigerung der Schwangerschaftsraten zu erzielen und die Abortraten noch weiter zu reduzieren.

Alternativer PICSI-Test

Ein weiterer nicht-invasiver, funktioneller Test für Spermien, der am Institut für Reproduktionsmedizin und Endokrinologie durchgeführt werden kann, ist das so genannte PICSI-Verfahren. Auch zu dieser Methode läuft zur Zeit eine Studie. PICSI beruht auf dem Hyaluronidase-Bindungstest. Dabei werden Spermien aufgrund bestimmter Membranbindungseigenschaften an die Eizelle selektiert. Alle bindenden Spermien sind reif, zeigen keine DNA-Schädigungen auf und eigenen sich somit für ICSI.

Bedeutung der Blastozystenkultur

Auch im Zusammenhang mit den neuesten Verfahren zur Auswahl der funktionell besten Spermien sehen die Bregenzer Spezialisten es als großen Vorteil an, dass in Österreich die Embryonenkultur bis zum Tag fünf (Blastozystenstadium) routinemäßig durchgeführt wird. In Deutschland findet der Embryonentransfer aufgrund restriktiver gesetzlicher Rahmenbedingungen schon am dritten Tag statt. Jedoch erst ab dem dritten Tag (8-Zellstadium) zeigen sich aufgrund der aktivierten individuellen Gene mögliche späte paternale Effekte, die die Embryonalentwicklung negativ beeinflussen können. Abgesehen von der besseren Synchronisierung zwischen Uterus und Embryonalentwicklung lässt sich das Entwicklungspotenzial eines Embryos am fünften Tag erheblich besser bestimmen. Durch den selektierten Embryotransfer am fünften Tag steigen auch die Chancen auf eine erfolgreiche Implantation und somit letztendlich auf die gewünschte Schwangerschaft.

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