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Tiefkühlspermien zur Nashornrettung

Frostschutzmittel zum Einfrieren von Spermien

| Autor / Redakteur: Steven Seet* / Christian Lüttmann

Tiefgefrorene Spermien sollen bei der Rettung bedrohter Arten helfen, wie zum Beispiel einiger Nashornsarten.
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Tiefgefrorene Spermien sollen bei der Rettung bedrohter Arten helfen, wie zum Beispiel einiger Nashornsarten. (Bild: Leibniz-IZW)

Viele Wildtierarten wie das Nördliche Breitmaulnashorn sind vom Aussterben bedroht. Rettung verspricht die künstliche Befruchtung mithilfe tiefgefrorener Spermien. Um die Erfolgsquote dieser Strategie zu steigern, haben Forscher vom Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) nun ein zellfreundlicheres Frostschutzmittel für Spermien erprobt.

Berlin – Um die Anzahl der Nachkommen und deren genetische Vielfalt zu erhöhen, werden bedrohte Nashornarten weltweit in Erhaltungszuchtprogrammen gehalten und mit tiefgefrorenem Sperma künstlich befruchtet. Der Erfolg künstlicher Besamungen war bisher jedoch gering. Dies lag nicht zuletzt daran, dass die Qualität der Keimzellen nach dem Auftauen eher mäßig war, wie Robert Hermes vom Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) in Berlin sagt: „Die Motilität der Spermien [also deren Bewegungsvermögen, Anm. d. Red.] nach dem Einfrieren und Auftauen lag studienübergreifend meist bei maximal 50 Prozent. Eine für die Besamung schon grenzwertige Qualität.“

Wie Sperma das Gefrierfach übersteht

Damit die Spermien das Einfrieren überleben, wird die Spermaprobe zuvor mit einer Pufferlösung und weiteren Zusätzen verdünnt. Entscheidend für den Erhalt der empfindlichen Zellen ist jedoch ein gutes „Frostschutzmittel“. „Das Kryoprotektivum bettet sich in die Zellmembranen ein und sorgt dafür, dass der osmotische Austausch vom Zellinneren zum Zelläußeren während des Einfrierens besser funktioniert“, erklärt Hermes. Üblicherweise werden je nach Spezies der Spermaprobe deshalb 5 bis 7% Glycerol zugesetzt.

Hermes Team nahm nun ein zweites Kryoprotektivum – Methylformamid – dazu und variierte die jeweiligen Anteile. Mit einer Mischung von 1% Glycerol und 4% Methylformamid konnten sie die Spermienmotilität nach dem Auftauen von 50% auf durchschnittlich über 75% steigern.

Der Werdegang der Kryokonservierung

Als in den 1950er-Jahren entdeckt wurde, dass der Zuckeralkohol Glycerol als Frostschutzmittel für Zellen geeignet war, war dies quasi der Startschuss für die Kryokonservierung von Säugetierspermien. Heute werden gefrorene, in flüssigem Stickstoff (bei -196 °C) gelagerte Spermien zur Besamung von Nutztieren längst bevorzugt gegenüber frischen Spermien eingesetzt: Über 95% allen Rinderbullensamens beispielsweise werden weltweit vor der Verwendung zunächst tiefgefroren. Trotz großer Erfahrung auf diesem Gebiet ist die Kryokonservierung von Spermien gefährdeter Wildtiere bis heute mit diversen Schwierigkeiten verbunden – vom Handling der Tiere bis hin zur Zellkonservierung.

Beitrag zur Rettung der Nashörner

Ein Beispiel für die Relevanz der Kryotechnik ist der Artenschutz von Nashörnern. Nashornspermien wurden erstmals 1979 tiefgefroren. Doch obwohl seitdem fast vier Jahrzehnte vergangen sind, gibt es bisher weniger als zehn wissenschaftliche Publikationen darüber – und nicht mal 70 Samenspenden von gerade mal 50 Tieren. Zum Vergleich: Allein 2016 gab es 17 entsprechende Publikationen zu Rinderbullen, für die Proben von 279 Tieren untersucht wurden.

„Wie dringend notwendig die Perfektionierung der assistierten Reproduktion ist, zeigt das Beispiel des Nördlichen Breitmalnashorns“, sagt Hermes. Nachdem im Frühjahr 2018 der letzte Bulle starb, leben nur noch zwei, mittlerweile infertile Weibchen dieser Spezies. Um die Art zu erhalten – etwa durch Hybrid-Embryos, die von Nashornleihmüttern ausgetragen werden – sind langfristig kryokonservierte Spermien und auch Eizellen von hoher Qualität essenziell. „Weltweit gibt es von dieser unmittelbar vom Aussterben bedrohten Nashornunterart nur noch Keimzellreserven von vier Bullen in flüssigem Stickstoff. Zwei davon sind von schlechter Qualität und damit im Grunde schon unbrauchbar.“

Nur zwei Weibchen übrig – und doch nicht ausgestorben?

Rettung des Nördlichen Breitmaulnashorns

Nur zwei Weibchen übrig – und doch nicht ausgestorben?

06.07.18 - Mit ihrem Leben endet auch das Überleben einer ganzen Art – eigentlich. Denn obwohl die weltweit einzigen Nördlichen Breitmaulnashörner beide Weibchen sind, besteht Hoffnung: Stammzellenforscher haben jetzt erstmals ein Hybrid-Embryo außerhalb der Gebärmutter produziert, dessen Gene zur Hälfte der funktional ausgestorbenen Art angehören. In Zukunft wollen sie mit neuen Techniken die Population wieder aufleben lassen. lesen

Erfolgreiche Tests mit verschiedenen Tierarten

Die Wirksamkeit der neuen Kombination von Kryoprotektiva haben die Forscher neben drei Nashornspezies – Spitzmaul-, Breitmaul- und Panzernashorn – inzwischen auch an Spermien von Giraffen, Wölfen und Kulanen, einer Wildeselart, nachgewiesen. „Wir gehen deshalb davon aus, dass die Minderung des Anteils an zelltoxischem Glycerol bei der Tiefgefrierung von Wildtierspermien auch bei vielen anderen Wildtierarten erfolgreich sein wird“, schließt Hermes.

Originalpublikation: Robert Hermes, Thomas B. Hildebrandt, Frank Göritz: Cryopreservation in rhinoceros – setting a new benchmark for sperm cryosurvival. PLOS ONE, Published: July 11, 2018; DOI: 10.1371/journal.pone.0200154

* S. Seet, Leibniz Institut für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW), 12489 Berlin

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