Wie Lachse, die stromaufwärts zum Laichen wandern, schwimmen auch Spermazellen extrem effizient gegen den Strom, so ein Forschungsergebnis, das diese Woche veröffentlicht wird.

Die Entdeckung, die von Forschern des MIT und der Universität Cambridge in der Fachzeitschrift eLife veröffentlicht wird, könnte uns helfen zu verstehen, wie manche Spermien so weite Strecken durch schwieriges Gelände zurücklegen, um eine Eizelle zu erreichen und zu befruchten.

Von den Hunderten Millionen von Spermien, die sich auf die Reise in die Eileiter begeben, erreichen nur einige wenige hartgesottene Reisende jemals ihr Ziel. Die Zellen müssen nicht nur in die richtige Richtung schwimmen und dabei Entfernungen zurücklegen, die etwa das Tausendfache ihrer eigenen Länge betragen, sondern sie sind unterwegs auch verschiedenen Chemikalien und Strömungen ausgesetzt.

Wir wissen zwar, dass die Spermien Chemikalien „riechen“ können, die von der Eizelle abgegeben werden, sobald sie ihr sehr nahe kommen, aber das erklärt nicht, wie sie den größten Teil ihrer Reise navigieren, sagt Jörn Dunkel, Assistenzprofessor für Mathematik am MIT und Mitglied des Forschungsteams.

„Wir wollten wissen, welche physikalischen Mechanismen für die Navigation verantwortlich sein könnten“, sagt Dunkel, der die Forschung zusammen mit Vasily Kantsler vom Skolkovo Institute of Science and Technology und der University of Warwick (und derzeit Gast am MIT), Raymond E. Goldstein aus Cambridge und Martyn Blayney von der Bourn Hall Clinic in Großbritannien durchführte.Die Frage war, ob sich etwas Ähnliches auch für menschliche Samenzellen nachweisen lässt.“

Mikrokanäle anstelle von Eileitern

Die Beobachtung von Samenzellen, die im menschlichen Körper selbst schwimmen, ist jedoch keine leichte Aufgabe. Um zu verstehen, wozu die Zellen fähig sind, bauten die Forscher stattdessen eine Reihe künstlicher Mikrokanäle unterschiedlicher Größe und Form, in die sie die Spermien einführten. Anschließend konnten sie die Strömung der Flüssigkeit durch die Röhren verändern, um zu untersuchen, wie die Zellen auf unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten reagierten.

Sie entdeckten, dass die Spermien bei bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten sehr effizient stromaufwärts schwimmen konnten. „Wenn man die richtigen Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt, kann man sie mehrere Minuten lang stromaufwärts schwimmen sehen“, sagt Dunkel. „Der Mechanismus ist sehr robust.“

Überdies waren die Forscher überrascht zu beobachten, dass die Spermien nicht in einer geraden Linie stromaufwärts schwammen, sondern in einer spiralförmigen Bewegung, entlang der Wände des Kanals. Die Spermien reagieren auf den Unterschied zwischen der Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Wände der Kammer – wo die Flüssigkeit von der Oberfläche angezogen wird und daher am langsamsten ist – und der frei fließenden Mitte der Röhre, sagt Dunkel.

Wenn Biologen in der Lage sind, ähnliche Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Eileiters zu beobachten, könnte dies dazu beitragen, zu bestätigen, ob die Spermien tatsächlich diesen Mechanismus nutzen, um durch den Körper zu navigieren, sagt er.

Mögliche Fortschritte bei der künstlichen Befruchtung

Dies würde nicht nur unser Verständnis der menschlichen Fortpflanzung verbessern, sondern könnte es uns auch eines Tages ermöglichen, neue Diagnoseinstrumente und effizientere Techniken der künstlichen Befruchtung zu entwickeln, so die Forscher. Reproduktionsspezialisten könnten Spermaproben nehmen und die Bedingungen im Körper künstlich nachstellen, um die Zellen zu identifizieren, die die besten Schwimmer sind, und so eine Vorauswahl derjenigen zu treffen, die am ehesten erfolgreich sind, sagt Dunkel.

Die Forscher können auch mit verschiedenen Flüssigkeitsviskositäten in den Mikrokanälen experimentieren, um festzustellen, welche den stärksten Aufwärtsschwimmeffekt haben, sagt er. „Die Idee wäre also, die Eigenschaften des flüssigen Mediums, in dem die Spermien enthalten sind, fein abzustimmen, bevor man es in den Körper einführt, damit man weiß, dass die Zellen ein optimales Aufwärtsschwimmen erreichen können.“

Jackson Kirkman-Brown, Honorarprofessor für Reproduktionswissenschaft an der Universität Birmingham und wissenschaftlicher Leiter des Birmingham Women’s Fertility Centre, beide in Großbritannien,

„Wir wissen so gut wie nichts darüber, wie Spermien navigieren, daher gibt uns diese Studie mehr Informationen über einen möglichen Mechanismus, der wichtig sein könnte“, sagt er. „

Es ist jedoch noch viel mehr Arbeit nötig, um herauszufinden, ob sich die Spermien in dem viel komplexeren Terrain im Eileiter selbst auf die gleiche Weise verhalten. „Dies ist ein großer Schritt, um zu verstehen, was die Spermien in dieser Umgebung beeinflussen könnte, aber es ist weit davon entfernt zu erklären, was sie beeinflusst“, sagt Kirkman-Brown. „Man wird sicherlich versuchen, diesen Mechanismus zu finden, aber es wird eine komplizierte Jagd sein.“

In der Zwischenzeit wollen die Forscher untersuchen, ob die Spermien zusammenarbeiten können, um die Eizelle zu erreichen. „Es ist eine weit verbreitete Meinung, dass es einen Wettbewerb zwischen den Spermien gibt, bei dem die Stärksten die Eizelle zuerst erreichen“, sagt Dunkel. „Jüngste Studien unseres Teams und anderer zeigen jedoch, dass sich die Spermien praktisch immer an der Oberfläche einer Röhre ansammeln, so dass es zu einer hohen lokalen Konzentration von Spermien kommen kann, so dass es tatsächlich eine Zusammenarbeit zwischen diesen Zellen geben könnte, die es ihnen ermöglicht, gemeinsam schneller zu schwimmen.

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