Unfruchtbare Eizellen: Ursachen und neue Lösungsansätze

Die menschliche Fortpflanzung ist ein komplexer Prozess, bei dem die Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium den Beginn eines neuen Lebens markiert. Dabei verschmelzen die Erbinformationen beider Elternteile, und der entstehende Embryo erhält einen vollständigen Chromosomensatz. Allerdings ist dieser Prozess nicht immer reibungslos. Menschliche Eizellen können eine falsche Anzahl an Chromosomen enthalten, was zu Fehlgeburten und Unfruchtbarkeit führen kann.

Eine zentrale Rolle bei der korrekten Chromosomenverteilung spielt die Meiose, eine spezialisierte Form der Zellteilung, die während der Reifung der Eizelle stattfindet. Dabei teilt sich die Vorläuferzelle der Eizelle, die Oozyte, die ursprünglich zwei Kopien jedes Chromosoms enthält, in zwei Tochterzellen. Eine davon entwickelt sich zur reifen Eizelle, die nur noch eine Kopie jedes Chromosoms besitzt.

Bei Menschen verläuft dieser Prozess jedoch nicht immer fehlerfrei. Wenn die gereifte Eizelle zu viele oder zu wenige Chromosomen enthält, kann dies schwerwiegende Folgen haben, wie Fehlgeburten oder genetische Erkrankungen beim Nachwuchs, beispielsweise das Down-Syndrom.

Instabile Spindeln als Ursache für Chromosomenfehler

Forscherinnen und Forscher am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften unter der Leitung von Melina Schuh haben herausgefunden, dass menschliche Eizellen häufig Spindeln mit instabilen Polen bilden. Diese sogenannten labilen Spindeln können die Chromosomen während der Zellteilung falsch anordnen oder durcheinanderbringen. Im Gegensatz zu den Spindeln anderer Säugetier-Oozyten, die sich in Experimenten als sehr stabil erwiesen, stellen menschliche Oozyten hier eine Ausnahme dar.

Um die Ursache für diese Instabilität zu ermitteln, untersuchte das Team das molekulare Inventar an Proteinen, die für die Stabilität der Spindeln verantwortlich sind, in verschiedenen Säugetier-Oozyten. Dabei wurden unter anderem unbefruchtete menschliche Eizellen verwendet, die Patientinnen im Rahmen von Fruchtbarkeitsbehandlungen gespendet hatten.

Das fehlende Protein KIFC1

Die Wissenschaftler entdeckten, dass menschliche Oozyten vergleichsweise geringe Mengen eines wichtigen Proteins namens KIFC1 enthalten. Dieses Protein fungiert als molekularer Motor und ist entscheidend für die Stabilisierung der Maschinerie, die die Chromosomen während der Zellteilung trennt.

KIFC1 baut Brücken zwischen den Spindelfasern, hilft bei deren korrekter Ausrichtung und verhindert, dass sie auseinanderfallen. Im Vergleich dazu wiesen Oozyten von Mäusen, Schweinen und Rindern deutlich höhere Mengen an KIFC1 auf.

Um die Bedeutung von KIFC1 zu überprüfen, entfernten die Forschenden das Protein aus den Oozyten von Mäusen und Rindern. Mithilfe einer neuen Methode namens Trim-Away, die das schnelle Abbauen von Zielproteinen ermöglicht, konnten sie zeigen: Ohne KIFC1 bildeten auch diese tierischen Oozyten instabile Spindeln und es kam vermehrt zu Fehlern bei der Chromosomentrennung.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass KIFC1 entscheidend dazu beiträgt, Chromosomen bei der Meiose fehlerfrei zu verteilen“, erklärt Chun So, Erstautor der Studie.

KIFC1 als Ansatzpunkt für neue Therapieansätze

Die Erkenntnis, dass KIFC1 eine Schlüsselrolle bei der Spindelstabilität spielt, eröffnet neue Perspektiven für die Behandlung von Unfruchtbarkeit. Die Forscher stellten sich die Frage, ob die Stabilität der Spindel verbessert werden könnte, wenn zusätzliches KIFC1 in menschliche Oozyten eingebracht wird.

Experimente unter dem Mikroskop zeigten, dass Zellen, die zusätzliche Mengen des Motorproteins enthielten, deutlich intaktere Spindeln aufwiesen und weniger Fehler bei der Chromosomentrennung auftraten.

„Das Einbringen von KIFC1 in menschliche Oozyten ist somit ein möglicher Ansatz, um Fehler in Eizellen zu reduzieren. Dies könnte dazu beitragen, Kinderwunschbehandlungen erfolgreicher zu machen“, hofft Melina Schuh.

Ursachen für Unfruchtbarkeit im Überblick

Weltweit ist etwa 17,5 Prozent der Menschen im gebärfähigen Alter zumindest zeitweise von Unfruchtbarkeit betroffen. In Deutschland ist fast jedes zehnte Paar im Alter von 25 bis 59 Jahren ungewollt kinderlos. Die Gründe dafür sind vielfältig und betreffen beide Geschlechter.

Faktoren, die die Fruchtbarkeit beeinflussen:

• Später Kinderwunsch: Viele Menschen entscheiden sich heute später für eine Elternschaft, was sowohl bei Männern als auch bei Frauen die Fruchtbarkeit beeinträchtigen kann.
• Alter der Frau: Die Fruchtbarkeit der Frau nimmt ab dem 35. Lebensjahr deutlich ab. Dies hängt maßgeblich mit den Eizellen zusammen, deren Qualität und Anzahl mit dem Alter sinkt.
• Chromosomenstörungen in Eizellen: Mit zunehmendem Alter steigt der Anteil der Eizellen mit einer von der Norm abweichenden Chromosomenzahl (Aneuploidie). Bei Frauen ab 35 Jahren sind über 50 Prozent der Eizellen aneuploid.
• Spermienqualität beim Mann: Ab etwa 40 bis 50 Jahren verschlechtert sich die Funktion der Spermien, da sich genetische Defekte häufen.

Im Gegensatz zu Spermien, von denen nur ein bis zwei Prozent aneuploid sind, weisen menschliche Eizellen bereits in jungen Jahren (20-30) zu über 20 Prozent Aneuploidien auf. Dies erklärt, warum fehlerhafte Eizellen häufig zu Fehlgeburten oder Unfruchtbarkeit führen.

Fehler bei der Chromosomentrennung

Während der Meiose können verschiedene Fehler bei der Chromosomentrennung auftreten:

• Fehlerhafte Trennung homologer Chromosomen: Die homologen Chromosomen werden falsch verteilt.
• Falsche Zuordnung einzelner Chromatiden: Ein einzelnes Chromatid wird umgekehrt zugeordnet.
• Umgekehrte Verteilung von Schwesterchromatiden: Beide Schwesterchromatiden verteilen sich umgekehrt.

Diese Fehler können durch das vorzeitige Trennen von Schwesterchromatiden begünstigt werden, was im Alter auftreten kann, wenn die Kohäsin-Komplexe, die die Schwesterchromatiden zusammenhalten, an Stabilität verlieren.

Fortschritte in der Reproduktionsmedizin

Die künstliche Befruchtung (IVF) und die intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI) sind etablierte Methoden zur Behandlung von Unfruchtbarkeit. Dennoch ist eine Befruchtung nicht immer garantiert.

Neben der Chromosomenanzahl können auch andere Faktoren zu einer fehlenden Befruchtung oder abnormalen Entwicklung führen:

• Schlechte Eizellqualität: Eizellen können defekte Membranen (Zona pellucida) oder eine schlechte Ausbildung aufweisen.
• DNA-Probleme der Spermien: Die DNA der Spermien kann sich nicht korrekt dekondensieren (aufdrehen), was die Befruchtung behindert.
• Fehlende Vorkerne: Nicht befruchtete Eizellen zeichnen sich durch das Fehlen von Vorkernen aus.

Die Forschung zur Verbesserung der Befruchtungsraten und der Embryonalentwicklung ist ein fortlaufender Prozess. Neue Methoden zur Optimierung von Stimulationsprotokollen und zur Vorbereitung des Körpers auf die Stimulation (Priming) sind Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Parthenogenese und synthetische Embryonen

Die Parthenogenese, auch Jungfernzeugung genannt, ist eine Form der Fortpflanzung, bei der sich Nachkommen aus unbefruchteten Eizellen entwickeln. Dieses Phänomen ist bei vielen Pflanzen und Tieren bekannt, bei Säugetieren jedoch aufgrund des Imprintings, das die Notwendigkeit eines männlichen und weiblichen Chromosomensatzes für die Embryonalentwicklung bedingt, schwierig bis unmöglich.

Aktuelle Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass es möglich ist, menschliche Embryonen ohne Eizellen und Spermien zu erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler versetzen Körperzellen in frühe Entwicklungsstadien zurück, wodurch reprogrammierte Stammzellen entstehen, die befruchteten Eizellen ähneln. Diese sogenannten synthetischen Embryonen werfen ethische und rechtliche Fragen auf und könnten zukünftig neue Wege in der Stammzellforschung und der Bekämpfung von Krankheiten eröffnen.

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