Wissenschaftler identifizieren potenzielle neue Methode zur Diagnose männlicher Unfruchtbarkeit

Forscher haben ein neues Phänomen entdeckt, bei dem Spermien von Mäusen nicht reproduktive Zellen von Hamstern dazu bringen können, zu verschmelzen und eine Synzytie zu bilden – eine Zelle mit mehreren Kernen.

Die Studie, veröffentlicht heute in eLifestellt fest, dass der Grad dieser Multinukleation vom Befruchtungspotenzial der Spermien abhängt. Bei weiterer Validierung könnten die Erkenntnisse bei der Entwicklung neuer Diagnoseinstrumente für männliche Unfruchtbarkeit genutzt werden.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind schätzungsweise etwa 15 % der Weltbevölkerung von Unfruchtbarkeit betroffen. Mögliche Lösungen umfassen assistierte Reproduktionstechniken wie die In-vitro-Fertilisation (IVF). Zuvor wurde der Hamster-Oozyten-Penetrationstest verwendet, um die Fähigkeit eines Spermiums, eine Eizelle zu befruchten, zu quantifizieren – sein fusogenes Potenzial. Allerdings gilt dieser Test inzwischen als veraltet, sodass es derzeit keine standardisierte Methode zur spezifischen Analyse des fusogenen Potenzials der Spermien eines Patienten gibt.

„Bei Säugetieren wird die Fusion des Spermas mit der Plasmamembran der Eizelle durch die Interaktion zwischen zwei Proteinen vermittelt: IZUMO1 auf dem Sperma und JUNO auf der Eizelle oder Eizelle“, erklärt Co-Autorin Clari Valansi, eine Laborleiterin am Department of Biology, Technion – Israel Institute of Technology, Haifa, Israel.

„In unserer vorherigen Arbeit haben wir gezeigt, dass Mäusespermien mit einer Art von Bindezellen namens Fibroblasten verschmelzen können, die so verändert wurden, dass sie JUNO exprimieren“, fügt Co-Autor Nicolas Brukman, Postdoktorand am Department of Biology des Technion – Israel Institute, hinzu der Technologie. „In dieser Studie wollten wir die Mechanismen der Fusion von Spermien und Eizellen bei Säugetieren weiter untersuchen.“

Das Team begann damit, Spermien erwachsener Mäuse mit Babyhamster-Nierenzellen (BHK) zu inkubieren, die genetisch verändert wurden, um JUNO zu exprimieren. Das Team war überrascht, als es herausfand, dass die Spermien die BHK-Zellen dazu veranlassten, miteinander zu verschmelzen und eine Zelle mit mehreren Kernen oder Synzytien zu bilden. Dieser Effekt wurde auch bei der Verwendung menschlicher embryonaler Nierenzellen beobachtet.

Sie stellten fest, dass diese Multinukleation von der Anwesenheit von JUNO abhängig war. Dies allein reichte jedoch nicht aus, um den Prozess einzuleiten. Stattdessen bildeten nur Zellen, an denen Spermien fusionierten, Synzytien, und es wurde festgestellt, dass der Grad der Mehrkernbildung von der Menge der den Zellen hinzugefügten Spermien abhängt. Dies legt nahe, dass die Fusion von Spermien mit JUNO-exprimierenden BHK-Zellen erforderlich ist, um die anschließende Multinukleation der BHK-Zellen zu induzieren.

Als nächstes fragte das Team, ob die Multinukleation erfordert, dass JUNO auf beiden fusionierenden BHK-Zellen vorhanden ist. Sie verwendeten ein Content-Mixing-Experiment, bei dem zwei Populationen von Zellen, die unterschiedliche Fluoreszenzmarker exprimierten, gemischt und dem Mäusesperma ausgesetzt wurden. Es gab keine BHK-BHK-Fusion, wenn nur eine oder keine der Zellpopulationen JUNO exprimierte, was darauf hindeutet, dass die durch Spermien induzierte Multinukleation tatsächlich davon abhängt, dass alle BHK-Zellen JUNO exprimieren. Das Team hat diesen Prozess SPICER (SPerm-Induced CEll-cell fusion Requiring JUNO) getauft.

Schließlich bewertete das Team das Potenzial von SPICER bei der Bestimmung des fusogenen Potenzials von Spermien. Sie inkubierten Mausspermien in Medien, die die Kapazitation verhindern – den Prozess, durch den Spermien ihre fusogene Fähigkeit erlangen – und stellten fest, dass sie anschließend nicht in der Lage waren, mit BHK-Zellen zu fusionieren und die Bildung von Synzytien zu induzieren. Darüber hinaus bildeten vollkapazitierte Spermien, die mit einem Antikörper inkubiert wurden, der IZUMO1 blockiert, ebenfalls keine mehrkernigen Zellen.

Um zu untersuchen, ob das Ausmaß der Zell-Zell-Fusion mit der Befruchtungsfähigkeit der Spermien zusammenhängt, bewertete das Team den Grad der Mehrkernbildung parallel zur Leistung der Spermien während der IVF. Sie stellten einen signifikanten positiven Zusammenhang zwischen der Synzytienbildung und dem Befruchtungsniveau fest. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass SPICER auf voll funktionsfähige Spermien sowie deren Befruchtungspotenzial angewiesen ist, was seine potenzielle Verwendung als Diagnoseinstrument für männliche Unfruchtbarkeit unterstützt.

Die Autoren fordern mehr Forschung in diesem Bereich, um ihre Ergebnisse zu validieren. Zukünftige Experimente mit menschlichen Spermien wären erforderlich, um das Potenzial von SPICER in diagnostischen Umgebungen voll auszuschöpfen.

„Wir haben ein neues Phänomen beschrieben, bei dem Spermien die Fusion von Zellen, die JUNO in Kultur exprimieren, induzieren können, was der viralen Fusion von Zellen bei einer Infektion ähnelt“, schlussfolgert Co-Autor Benjamin Podbilewicz, Professor für Biologie am Fachbereich Biologie. Technion – Israelisches Institut für Technologie.

„Da das Ausmaß der Multinukleation mit dem Befruchtungspotential der Spermien korreliert, könnte SPICER ein Schritt in Richtung Entwicklung einer zuverlässigen, schnellen und einfachen Methode zur Vorhersage der Spermienfunktion während der Diagnose männlicher Unfruchtbarkeit sein. Es könnte auch zur Vorhersage der Spermienfunktion verwendet werden Erfolg von assistierten Reproduktionstechniken wie IVF oder in der Landwirtschaft zur Beurteilung der Fruchtbarkeit von Zuchttieren.

Nicolas Brukman, Clari Valansi und Benjamin Podbilewicz sind Erfinder einer vom Technion-Israel Institute of Technology eingereichten Patentanmeldung, die auf dieser Arbeit basiert.