Fortpflanzung und Fruchtbarkeit: Wie können Gen- und Zelltherapie helfen?

Stammzellen haben die Fähigkeit, sich unter den richtigen Bedingungen zu verschiedenen Zelltypen zu entwickeln. Einige Stammzellen können jeden Zelltyp des Körpers produzieren. Diese werden als pluripotent bezeichnet.  

Pluripotente Stammzellen können aus fünf Tage alten Embryonen gewonnen werden, bevor sich der Embryo in die Gebärmutter eingenistet hat. Diese Zellen (embryonale Stammzellen oder ESCs) können im Labor in großer Zahl gezüchtet werden, wobei sie ihre Fähigkeit, sich zu anderen Zelltypen zu entwickeln, behalten. 

luripotente Stammzellen können auch durch „Umprogrammierung” anderer Körperzellen im Labor hergestellt werden, beispielsweise aus Hautzellen (diese werden als induzierte pluripotente Stammzellen oder iPS-Zellen bezeichnet). 

Diese Stammzellen sind für mögliche Fertilitätsbehandlungen von besonderem Interesse, da Wissenschaftler möglicherweise pluripotente Stammzellen zur Herstellung von Spermien und Eizellen (zusammen als Gameten bezeichnet) für die In-vitro-Fertilisation verwenden können. Der Prozess der Herstellung von Spermien und Eizellen im Labor wird als In-vitro-Gametogenese oder IVG bezeichnet. 

Während Mäuse mithilfe von aus Stammzellen und IVG erzeugten Eizellen und Spermien hergestellt wurden, ist dies beim Menschen noch nicht gelungen. 

Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf verschiedene Aspekte der IVG. 

• Einige Gruppen entwickeln neue Methoden zur Herstellung von Vorläuferzellen für Eizellen und Spermien (primordiale Keimzellen oder PGCs) aus menschlichen pluripotenten Stammzellen und versuchen dann herauszufinden, wie diese zu Spermien oder Eizellen weiterentwickelt werden können.
• Andere Gruppen versuchen, eine unterstützende Umgebung zu schaffen, in der sich diese Vorläuferzellen im Labor zu Spermien oder Eizellen entwickeln können, was bedeutet, dass sie die sich entwickelnden Hoden oder Eierstöcke nachbilden müssen. Dazu müssen Stammzellen dazu gebracht werden, sich zu anderen Zelltypen der Hoden (wie Sertoli-Zellen, die die PGC-Entwicklung unterstützen, oder Leydig-Zellen, die Testosteron produzieren) oder der Eierstöcke (wie Granulosazellen, die die Eizellenentwicklung unterstützen) zu entwickeln.
• Diese Methoden werden auch eingesetzt, um die Ursachen für Störungen der Hoden- oder Eierstockentwicklung zu verstehen, die sich wiederum auf die Fruchtbarkeit oder die Geschlechtsmerkmale auswirken. Diese Art der Forschung wird als Krankheitsmodellierung bezeichnet. Sie kann die Untersuchung der Gene umfassen, die für die verschiedenen Schritte der Bildung funktionsfähiger Eierstöcke und Hoden sowie von Eizellen und Spermien erforderlich sind.  

Wenn Eizellen und Spermien durch IVG aus anderen adulten Körperzelltypen hergestellt werden könnten, hätte dies weitreichende Anwendungsmöglichkeiten für Menschen, die von Unfruchtbarkeit betroffen sind oder genetische Krankheiten weitervererben könnten. Derzeit gibt es jedoch vier wesentliche Hindernisse für die Anwendung von IVG-Technologien beim Menschen: 

1. Herstellung einer ausreichenden Anzahl lebensfähiger Eizellen- und Spermienvorläuferzellen (PGCs) aus Stammzellen.
2. Sicherstellung, dass diese menschlichen PGCs Eizellen und Spermien bilden, aber keine Tumore entwickeln, was bei pluripotenten Zellen ein Risiko darstellen kann.
3. Erarbeitung eines Verfahrens zur Reifung menschlicher PGCs zu voll funktionsfähigen Eizellen und Spermien im Labor, um die Transplantation unreifer PGCs in den menschlichen Körper zu vermeiden. Dadurch würden invasive Eingriffe entfallen und das Risiko der Tumorbildung vermieden.
4. Festlegen, wie die Fähigkeit von im Labor erzeugten Spermien und Eizellen zur Erzeugung gesunder Embryonen und Kinder getestet werden kann, angesichts der derzeitigen Beschränkungen in vielen Ländern hinsichtlich der Erzeugung von Embryonen für Forschungszwecke oder deren Wachstum im Labor über bestimmte Entwicklungszeitpunkte hinaus. 

Neben der Überwindung der wissenschaftlichen Hindernisse müssen in den nächsten Schritten auch die erheblichen sozialen, ethischen und rechtlichen Hindernisse für den Einsatz von IVG berücksichtigt werden. Die Rechtsvorschriften für die Verwendung und Erzeugung von Embryonen sind weltweit unterschiedlich. Wenn IVG-Technologien wissenschaftlich realisierbar werden, müssen die Rechtsvorschriften geändert werden, um eine klinische Anwendung zu ermöglichen.

ART kann aus verschiedenen Gründen eingesetzt werden:  

• Unfruchtbarkeit: Die Weltgesundheitsorganisation berichtet, dass jeder sechste Erwachsene von Unfruchtbarkeit betroffen ist und daher möglicherweise keine Kinder zeugen kann. Unfruchtbarkeit kann durch eine Reihe von Erkrankungen und Faktoren verursacht werden und jeden Menschen treffen.
• Verwendung von gespendeten Keimzellen: Menschen mit Unfruchtbarkeit, gleichgeschlechtliche Paare oder Menschen, die sich als Alleinerziehende ein Kind wünschen, können sich dafür entscheiden, mit gespendeten Keimzellen schwanger zu werden
• Bekannte genetische Risiken: Wenn ein oder beide Elternteile wissen, dass sie Träger einer lebensverkürzenden genetischen Erkrankung sind, können sie sich für eine IVF und eine Präimplantationsdiagnostik entscheiden. Bei diesem Verfahren werden die Embryonen untersucht und diejenigen ausgewählt, die die genetische Mutation nicht tragen, um zu verhindern, dass die spezifische genetische Erkrankung der Eltern an das Kind weitergegeben wird. 

Es gibt mehrere Gründe, warum eine Person oder ein Paar potenziell von IVG profitieren könnte: 

• Wenn bestehende ARTs erfolglos waren.
• Wenn bestehende ARTs aufgrund fehlender Eierstöcke/Hoden, Eizellen/Spermien oder aufgrund von Unfruchtbarkeit aufgrund von Alter oder Krebsbehandlung nicht geeignet sind.
• Wenn Paare bekannte Träger genetischer Erkrankungen sind und einen größeren Pool an Embryonen zur Auswahl schaffen möchten.
• Um die Risiken und Belastungen bestehender ARTs zu vermeiden, zu denen Hormonspritzen, engmaschige Überwachung und Eizellentnahme gehören können.
• Für gleichgeschlechtliche Paare, die nur auf natürliche Weise nur entweder Eizellen oder Spermien produzieren.
• Für alleinstehende Personen, die unfruchtbar sind und aus ihren eigenen Stammzellen eine Eizelle oder Spermien erzeugen möchten, die mit einem Spender befruchtet werden sollen.
• Für alleinstehende Personen, die ihre eigenen natürlichen Eizellen oder Spermien mit entsprechenden aus Stammzellen gewonnenen Eizellen oder Spermien von sich selbst verwenden möchten, um alleiniger genetischer Elternteil zu sein. 

Pluripotente Stammzellen sind Zellen, die sich in jeden anderen Zelltyp des Körpers verwandeln können. Während sich ein Embryo entwickelt, reifen Populationen von Stammzellen zu verschiedenen Zelltypen heran und verlieren dabei ihre Pluripotenz. Es gibt jedoch Methoden, um eine reife Zelle wieder in diesen pluripotenten Zustand „umzuprogrammieren”, und diese pluripotenten Zellen (iPSCs) können dann jeden beliebigen Zelltyp des Körpers produzieren. 

Abbildung 1: Quellen pluripotenter Stammzellen.

Eine Art pluripotenter Stammzellen kann in einem sehr frühen Stadium der Embryonalentwicklung gewonnen werden. Im Alter von fünf Tagen wird der Embryo als Blastozyste bezeichnet. Diese besteht aus einer äußeren Zellschicht, dem Trophoblasten, und einer inneren Schicht, der inneren Zellmasse (ICM). Die Zellen der ICM sind pluripotent, entwickeln sich jedoch nach der Einnistung in die Gebärmutter zu embryonalen Zellen und Geweben. 

Wenn pluripotente Zellen der ICM außerhalb des Embryos im Labor gezüchtet werden, werden sie als embryonale Stammzellen (ESCs) bezeichnet. ESCs waren die ersten pluripotenten Stammzellen (PSCs), die Forschern zur Verfügung standen. Sie wurden erstmals 1998 aus menschlichen Embryonen gewonnen. 

Es gibt keine etablierten Quellen für pluripotente Stammzellen bei Kindern oder Erwachsenen, da die meisten dieser Zellen bereits eine bestimmte Zellfunktion übernommen haben. Im Jahr 2006 zeigte der Forscher Shinya Yamanaka, dass auch Hautzellen von Mäusen zu pluripotenten Stammzellen umgewandelt werden können. Dieser Prozess wird als „Re-programmierung” bezeichnet. Diese Zellen ähnelten embryonalen Stammzellen und wurden als induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) bezeichnet. Diese Zellen haben wie embryonale Stammzellen das Potenzial, alle Zelltypen des Körpers zu bilden, einschließlich potenziell Eizellen und Spermien. Es zeigte sich schnell, dass diese Technologie auch bei menschlichen Zellen funktioniert. Die Erzeugung von iPSCs war revolutionär für die Stammzellforschung und die Medizin insgesamt und wurde nur fünf Jahre nach der Anwendung dieser Technologie bei menschlichen Zellen mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Induzierte pluripotente Stammzellen wurden inzwischen aus vielen Zelltypen hergestellt, darunter Hautzellen, Blutzellen und sogar aus Urin gewonnene Zellen. 

Personen oder Paare, die wissen, dass sie Träger einer genetischen Erkrankung sind, möchten möglicherweise vermeiden, diese Erkrankung an ihr Kind weiterzugeben. Derzeit gibt es nur eine Möglichkeit, die Implantation eines Embryos mit einer genetischen Erkrankung aktiv zu vermeiden: die Präimplantationsdiagnostik (PID), die nur in Verbindung mit einer IVF angewendet werden kann. 

Nachdem die Embryonen in der Klinik für die IVF befruchtet wurden, werden sie mehrere Tage lang kultiviert, bis sie das Blastozystenstadium erreichen, das aus der inneren Zellmasse und dem umgebenden Trophoblasten besteht. Der Trophoblast besteht aus Zellen, aus denen während der Schwangerschaft Stützstrukturen wie die Plazenta und die Fruchtblasen gebildet werden. In diesem Stadium können sich die Eltern für eine PGT entscheiden 

 Aus dem Trophektoderm werden 4–5 Zellen entnommen. Diese Zellen werden genetisch auf die Krankheitsvariante untersucht. Embryonen, die die genetische Variante für die Erkrankung nicht tragen, werden identifiziert und können in die Gebärmutter der Wunscheltern oder der Leihmutter übertragen oder für eine spätere Verwendung eingefroren werden. Dadurch verringert sich die Anzahl der Embryonen, die ein Paar verwenden kann, sodass möglicherweise eine größere Anzahl von Embryonen benötigt wird. In einigen Fällen sind mehrere IVF-Zyklen erforderlich, bevor eine Schwangerschaft mit einem Embryo erreicht werden kann, der die genetischen Varianten nicht trägt. Es ist nicht möglich, Eizellen und Spermien vor der Befruchtung genetisch zu testen, da die Analyse der Zell-DNA mit den derzeitigen Techniken die Zelle zerstören würde. 

Es wurde vorgeschlagen, dass die Gen-Editierung möglicherweise verwendet werden könnte, um Mutationen in untersuchten Embryonen zu korrigieren, anstatt diejenigen ohne Mutationen auszuwählen. Allerdings gibt es erhebliche technische und ethische Bedenken, die dies verhindern. Die derzeitige Genbearbeitungstechnologie kann nicht-zielgerichtete Teile der DNA beeinflussen und unerwünschte Nebenwirkungen verursachen. Es wäre auch schwierig, die Mutation in jeder Zelle des Embryos zu korrigieren, was dazu führen würde, dass einige Zellen die Mutation tragen und möglicherweise die Gesundheit des Kindes beeinträchtigen. 

Neben der Überwindung der wissenschaftlichen Hindernisse müssen in den nächsten Schritten auch die erheblichen sozialen, ethischen und rechtlichen Hindernisse berücksichtigt werden. Die Rechtsvorschriften für die Verwendung und Erzeugung von Embryonen sind weltweit unterschiedlich und spiegeln oft die einzigartige Kultur und die sozialen Normen des jeweiligen Landes sowie die bestehenden Rechtsvorschriften für ähnliche Bereiche der Forschung und Medizin wider. Wenn IVG-Technologien wissenschaftlich realisierbar werden, müssen die Rechtsvorschriften geändert werden, um eine klinische Anwendung zu ermöglichen. Jede Reform der Rechtsvorschriften wird wahrscheinlich von der Meinung der Bevölkerung zu IVG und Reproduktionstechnologien beeinflusst werden, insbesondere davon, wie wichtige ethische Fragen geklärt werden, z. B. wer diese Technologien nutzen darf, wie ein gerechter Zugang zu den Technologien gewährleistet wird und, was ganz wichtig ist, welche Unterstützungsmaßnahmen getroffen werden, um die Gesundheit der daraus entstehenden Kinder langfristig angemessen zu überwachen. 

Derzeit gibt es beim Menschen keine Hinweise darauf, dass IVG zur Herstellung von Spermien aus weiblichen Stammzellen oder Eizellen aus männlichen Stammzellen verwendet werden könnte. Es gibt jedoch einige Mausversuche, die Hinweise darauf liefern, dass dies möglich sein könnte. 

Welche Beweise sprechen für oder gegen diese Möglichkeit?

Beweise für die Herstellung von Eizellen aus XY (männlichen) pluripotenten Stammzellen oder Spermien aus XX (weiblichen) pluripotenten Stammzellen:  

Im Jahr 2018 schufen Li und Kollegen lebende Mäuse mit zwei Müttern (bimaternal) und lebende Mäuse mit zwei Vätern (bipaternal). Die bipaternalen Mäuse waren jedoch langfristig nicht lebensfähig, da sie kurz nach der Geburt starben. 

Im Jahr 2023 gelang es Murakami und Kollegen, XY (männliche) Stammzellen in XX (weibliche) Stammzellen umzuwandeln. Diese XY- zu XX-Stammzellen produzierten anschließend reife und funktionsfähige Eizellen mit derselben Effizienz wie natürliche XX-Stammzellen. Nach der Befruchtung brachten diese Eizellen lebende Nachkommen hervor, was einen Beweis für die bipaternalen Fortpflanzung bei Mäusen liefert. 

Beweise gegen die Produktion von Eizellen aus XY- (männlichen) Zellen oder Spermien aus XX- (weiblichen) Zellen:  

Während die Veröffentlichung von Murakami und Kollegen aus dem Jahr 2023 darauf hindeutet, dass dies möglich sein könnte, wurde in jahrzehntelanger Forschung zur Gametenbildung und Geschlechtsauswahl bei Säugetieren bezweifelt, dass es möglich ist, Eizellen aus Zellen mit XY-Chromosomen oder Spermien aus Zellen ohne diese Chromosomen zu bilden (zusammengefasst in Taketo 2015). Diese früheren Studien argumentieren, dass die Produktion von Spermien aus XX (weiblichen) Zellen oder Eizellen aus XY (männlichen) Zellen nicht möglich ist. Darüber hinaus wird die Barriere für die Entwicklung gesunder Individuen in menschlichen Geschlechtschromosomenaneuploidien gesehen, die mit Sterilität verbunden sind, darunter:  

• XY-Frauen – Swyer-Syndrom
• XX-Männer – De-la-Chapelle-Syndrom
• XXY-Männer – Klinefelter-Syndrom
• XO-Frauen – Turner-Syndrom 

Es ist wichtig zu beachten, dass die meisten dieser Studien Bedingungen untersuchen, unter denen sowohl die Eizellen oder Spermien als auch die unterstützende Umgebung der Eierstöcke oder Hoden genetische Funktionsstörungen aufweisen. Experimente, bei denen gesunde XY-PGCs in einen gesunden XX-Eierstock oder gesunde XX-PGCs in einen gesunden XY-Hoden eingebracht wurden, wurden bisher noch nicht durchgeführt. Diese Experimente wären jedoch mit den oben beschriebenen Hayashi-Methoden theoretisch möglich. 

Es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob die Arbeit von Murakami und Kollegen zuverlässig wiederholt werden kann.