Wissenschaftler sind der Züchtung von Spermien im Labor einen Schritt näher gekommen

Die Forschungsarbeit bringt die Wissenschaftler der Nachbildung dieses Prozesses näher, doch es gelang nicht, reife Spermien zu gewinnen. Die experimentellen Zellen konnten keine Eizelle befruchten und wurden nicht zur Erzeugung von Embryonen verwendet.

Derzeit handelt es sich nicht um eine Methode zur Behandlung von Unfruchtbarkeit, sondern um ein Forschungsmodell. Mit dessen Hilfe lässt sich die frühe Entwicklung männlicher Keimzellen untersuchen, nach Ursachen für bestimmte Formen der Unfruchtbarkeit suchen und in Zukunft die Sicherheit neuer Ansätze überprüfen.

Details

Grundlage des Experiments bildeten induzierte pluripotente Stammzellen, sogenannte iPS-Zellen. Diese werden aus normalen Zellen eines erwachsenen Organismus gewonnen, indem man sie in einen Zustand zurückversetzt, aus dem sie sich wieder zu verschiedenen Gewebetypen entwickeln können. Die menschlichen iPS-Zellen wurden in dieser Arbeit aus Blutzellen gewonnen. Einzelne Experimente wurden mit Zellen von Rhesusaffen durchgeführt.

Mithilfe einer Abfolge chemischer Signale leiteten die Forscher die iPS-Zellen auf den Weg zur Bildung von Keimzellen. Zunächst entstanden Zellen, die den primären Keimzellen eines Embryos ähnelten. Unter natürlichen Bedingungen entwickeln sich aus diesen später Eizellen oder Spermien.

Die chemischen Signale allein reichten jedoch nicht aus. Für ihre weitere Entwicklung benötigen die zukünftigen Keimzellen ein komplexes Milieu aus umgebendem Gewebe, Hormonen und Signalmolekülen.

Um ein solches Milieu zu schaffen, mischten die Wissenschaftler menschliche oder Affen-Zellen mit Stützzellen, die aus den Hoden von Mausembryonen gewonnen wurden. Die Mischung organisierte sich von selbst zu einer dreidimensionalen Struktur, die die Autoren als „xenogenes rekonstruiertes Hodengewebe“ bezeichneten. Einfacher ausgedrückt handelt es sich um ein Modell des Hodengewebes, das aus Zellen verschiedener Arten zusammengesetzt ist.

In ihrem Inneren begannen sich Strukturen zu bilden, die den Samenkanälchen ähneln. Dabei handelt es sich um dünne Röhrchen, in denen sich in einem echten Hoden die Spermien entwickeln.

Die Struktur wuchs jedoch nicht nur im Laborgefäß. Sie wurde unter die Nierenhülle von immundefizienten Mäusen transplantiert. Dieser Bereich ist gut durchblutet, sodass die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden und sich über mehrere Monate hinweg entwickeln konnten.

Infolgedessen erreichten die menschlichen Zellen das Stadium der Spermatogonien – der frühen Vorläufer der Spermien. Die Autoren fanden zudem eine geringe Anzahl von Zellen, die gerade erst mit der Vorbereitung auf die Meiose begannen. So wird die spezielle Zellteilung bezeichnet, bei der die zukünftige Geschlechtszelle einen halben Chromosomensatz erhält.

Hinsichtlich ihres Aussehens, ihres Proteingehalts und ihrer Genaktivität ähnelten die gezüchteten Zellen den natürlichen Geschlechtszellen von Menschen und Makaken im entsprechenden Entwicklungsstadium. Sie durchliefen die Meiose jedoch nicht vollständig und entwickelten sich nicht zu reifen Spermien mit Schwanz.

Die Forscher fanden zudem heraus, dass die Proteine NANOS3 und DND1 den frühen Keimzellen helfen, zu überleben und sich nicht in Zellen anderer Gewebe zu verwandeln. Retinsäure – ein Derivat von Vitamin A – war an der Einleitung ihrer weiteren Reifung beteiligt. Diese im Labor gewonnene Beobachtung bedeutet nicht, dass die Einnahme von Vitaminen Unfruchtbarkeit beeinflussen oder eine Behandlung ersetzen kann.

Warum dies wichtig ist

Einige Formen der männlichen Unfruchtbarkeit hängen damit zusammen, dass der Prozess der Keimzellbildung in einem der frühen Stadien zum Stillstand kommt. Die Erforschung solcher Störungen ist schwierig: Die Entwicklung von Spermien nimmt viel Zeit in Anspruch und hängt vom präzisen Zusammenspiel mehrerer Zelltypen im Hoden ab.

Versuche an Mäusen liefern viele nützliche Erkenntnisse, doch die Entwicklung der Keimzellen bei Nagetieren und Primaten unterscheidet sich deutlich. Daher lassen sich die an Mäusen gewonnenen Ergebnisse nicht automatisch auf den Menschen übertragen.

Das neue Modell ermöglicht es, zu beobachten, wie menschliche und affenartige Zellen die ersten Entwicklungsstadien durchlaufen. In Zukunft werden Wissenschaftler in der Lage sein, einzelne Gene auszuschalten, die Kulturbedingungen zu verändern und zu überprüfen, in welchem Stadium und aus welchem Grund der Prozess gestört wird.

Theoretisch könnten solche Technologien eines Tages Menschen helfen, deren Körper keine eigenen Spermien produziert. So könnten beispielsweise normale Zellen des Patienten umprogrammiert und auf den Weg der Keimzellbildung gebracht werden. Dazu muss jedoch zunächst gelernt werden, voll funktionsfähige Spermien zu gewinnen, deren genetische und epigenetische Unbedenklichkeit zu überprüfen sowie schwerwiegende ethische und rechtliche Fragen zu klären.

Hintergrund

Die Bildung von Spermien ist ein mehrstufiger Prozess. Spermatogonien teilen sich, verwandeln sich anschließend in Spermatozyten, durchlaufen die Meiose und werden erst danach zu Spermien. Ein Fehler in einer beliebigen Phase kann zu Unfruchtbarkeit oder genetischen Störungen führen.

Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, diesen gesamten Prozess in Experimenten mit Mauszellen zu durchlaufen. Bei Menschen und anderen Primaten endet der Prozess in der Regel deutlich früher – noch vor Abschluss der Meiose.

Das Hauptproblem besteht darin, dass sich Geschlechtszellen nicht von selbst entwickeln. Sie benötigen ein spezielles zelluläres Umfeld, das sich in Laborgefäßen nur schwer nachbilden lässt. Die Autoren der neuen Studie haben dieses Problem teilweise gelöst, indem sie Stammzellen von Primaten mit Hilfszellen von Mäusen kombinierten und das Konstrukt in den Organismus eines Tieres einbrachten.

Dies macht das Experiment zu einem wichtigen Zwischenschritt. Es zeigt, dass die Entwicklung menschlicher Keimzellen weiter vorangetrieben werden kann, unterstreicht jedoch gleichzeitig, wie schwierig es nach wie vor ist, reife Spermien vollständig unter Laborbedingungen zu gewinnen.

Quelle

Die Studie von Eoin Whelan, Minyue Guo, Kotaro Sasaki und ihren Kollegen „Generation of spermatogonia from human and non-human primate pluripotent stem cells“wurde im Jahr 2026 in der Fachzeitschrift „Cell Stem Cell“ veröffentlicht.