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Eineiig – und doch nicht gleich: Wissenschaftlerteam aus Münster entdeckt wichtige Grundlage der Untersuchung verschiedener Kulturmedien für künstliche Befruchtung

Das Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für molekulare Biomedizin (MPI) und des Centrums für Reproduktionsmedizin und Andrologie (CeRA): PD Dr. Michele Boiani, Ellen Casser (beide MPI), Prof. Dr. Stefan Schlatt, PD Dr. Verena Nordhoff (beide CeRA) (v.l.; Foto: MPI Münster)

Ein ungleiches Zwillingspaar: Blastozysten-Stadium von Mausembryonen: In 70 Prozent der Zwillingspaare entwickeln sich die einzelnen Zellen mit unterschiedlichem Erfolg zur Blastozyste. Dies hat auch auf die weitere Entwicklung Einfluss (Rot gefärbte Zellen bilden den späteren Fötus, grün und blau gefärbte werden zum extraembryonalen Gewebe, wie z.B. der Plazenta; Foto: MPI Münster / E. Casser)

Münster (mpi/mfm) - Die Reproduktionsmedizin ist ein „booming business“: Die Zahl der Kinderwunschbehandlungen nimmt stetig zu – zum einen weil sich Paare immer später für Kinder entscheiden, zum anderen wegen einer Enttabuisierung der künstlichen Befruchtung. Um die assistierte Reproduktion weiter zu verbessern, ist Grundlagenforschung im Tiermodell unerlässlich. Ein Wissenschaftlerteam vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin und des Centrums für Reproduktionsmedizin und Andrologie der Universität Münster hat nun an frühen Mausembryonen entdeckt, dass die ersten zwei Zellen, die nach der ersten Teilung der befruchteten Eizelle entstehen, in den meisten Fällen nicht gleich sind. Diese Unterschiede stellen den Geltungsbereich der Totipotenz in Frage und eröffnen die Möglichkeit, um zu untersuchen, wie die in Kinderwunschkliniken verwendeten Kulturmedien die Embryoentwicklung beeinflussen (Scientific Reports, 15. August 2017).

Es wurde lange Zeit angenommen, dass die ersten zwei Zellen, die nach der ersten Teilung der befruchteten Eizelle entstehen, im Sinne der Totipotenz – also der Fähigkeit der Zelle, einen vollständigen bzw. eigenständigen Organismus zu bilden – identisch sind. Diese Gleichheit wollten Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Biomedizin und des Centrums für Reproduktionsmedizin und Andrologie der Universität Münster für ihre Studien an Mausembryonen nutzen: Indem sie die Zellen im Zweizellstadium voneinander trennen, würden sie zwei eineiige Zwillingszellen erhalten, die eine perfekte Kontrolle zueinander darstellen würden.

Um zunächst die Grundlage ihrer weiteren Studien zu prüfen, untersuchten die Wissenschaftler die aus der ‚Embryo-Splitting’ genannten Methode entstandenen Zwillingsembryonen. Doch anstatt immer gleiche Partner vorzufinden, entdeckte das Forscherteam erhebliche Unterschiede: Bei circa 70 Prozent der Zellpaare sind die sich daraus entwickelnden eineiigen Zwillinge nicht gleich.

Ellen Casser, Erstautorin der Studie und Doktorandin bei PD Dr. Michele Boiani vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, erläutert die Unterschiede: „Wir haben die Zwillingszellen sich zum Eibläschen, dem sogenannten Blastozysten-Stadium, entwickeln lassen und diese dann paarweise zurück in eine Gebärmutter überführt. Obwohl die Embryonen somit dieselben Bedingungen erfuhren, zeigten sie unterschiedliche Überlebensfähigkeiten. Zudem war die Verteilung der Zellen in den verschiedenen Gewebetypen in den frühen Embryonen unterschiedlich.“

Die größten Unterschiede bemerkten die Wissenschaftler im sogenannten Epiblast-Gewebe, aus dem später der eigentliche Fötus entsteht. „Dies erklärt wahrscheinlich, warum sich manche Embryonen nicht weiter entwickeln und warum eineiige Zwillinge in der Natur eher selten vorkommen“, sagt Boiani.

Die Unterschiede manifestierten sich nicht nur in morphologischen Merkmalen. PD Dr. Verena Nordhoff vom Centrum für Reproduktionsmedizin und Andrologie und ihre Kollegin Anika Witten von der Core Facility Genomik der Medizinischen Fakultät Münster analysierten die Genaktivität von jeweils 26.000 Genen in den Zellpaaren: „Bei nur ca. 30 Prozent der Zellpaare konnten wir anhand des Genexpressionsmusters erkennen, dass die Zellen von derselben befruchteten Eizelle stammten,“ sagt Nordhoff. „Also fanden wir auch auf der genetischen Ebene eine ähnliche ‚ungleiche’ Verteilung zwischen den Zwillingszellen wie bei den morphologischen Untersuchungen. Diese Gen-Analysen zeigen somit deutlich, dass die Unterschiede schon im Kernmaterial der Zellen verankert sind und nicht erst während der weiteren Entwicklung zur Blastozyste entstehen.“

„Schon rein aus wissenschaftlicher Sicht sind dies interessante Ergebnisse“, sagt Boiani. „Die ersten beiden Zellen, die aus der ersten Zellteilung der befruchteten Eizelle entstehen, sind – entgegen bisherigen Annahmen – meistens nicht identisch, auch nicht im Sinne der Totipotenz, also der Fähigkeit einer Zelle, sich in einen vollständigen Organismus zu entwickeln“, führt er fort.

Für die Reproduktionsmedizin birgt diese Erkenntnis eine Chance: Die Wissenschaftler können an diesen ungleichen Zellpaaren kommerzielle Kulturmedien testen, um herauszufinden, ob ein bestimmtes Medium die ungleichen Zellen ‚gleicher’ (oder noch ‚ungleicher’) macht. „Für die Reproduktionsmedizin und den Erfolg von Fruchtbarkeitsbehandlungen ist es wichtig zu wissen, ob ein bestimmtes Medium die Entwicklungsfähigkeit der frühen Embryonen erhöhen kann“, erläutert Nordhoff.

Tatsächlich scheint dies der Fall zu sein. Ein erster Vergleich an Mausembryonen deute darauf hin, dass bestimmte Kulturmedien die Entwicklungsfähigkeit der Embryonen verbessern können. Für diese vorläufigen Ergebnisse wurde Ellen Casser Anfang Juli auf der jährlichen Tagung der European Society of Human Reproduction and Embryology in Genf mit dem Basic Science Poster Award prämiert.  

„Die Stärke dieser Studie basiert auf unserer langjährigen, intensiven Zusammenarbeit zwischen dem MPI und dem CeRA“, sagt Prof. Dr. Stefan Schlatt, Direktor des CeRA. Erst im Januar letzten Jahres hatte die Deutsche Forschungsgemeinschaft drei gemeinsame Projektanträge des MPI und des CeRA bewilligt.

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