Nashornspermien aus dem Eis: neues Kryoprotektivum erhöht Beweglichkeit der Spermien nach dem Auftauen

(11.07.2018) Durch eine neue Mixtur von Kryoprotektiva ist es Forschern vom Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) in Berlin gelungen die Motilität von tiefgefrorenen Nashornspermien nach dem Auftauen deutlich zu erhöhen.

Dadurch steigen die Erfolgsaussichten der assistierten Reproduktion vieler vom Aussterben bedrohter Wildtierarten. Die Ergebnisse der Studie an drei Nashornarten werden am 11.7.2018 in PLOS ONE publiziert.

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 gering, nicht zuletzt weil die Qualität der Keimzellen nach dem Auftauen bislang eher mäßig war.


Nashornbulle Athos

„Die Motilität der Spermien nach dem Einfrieren und Auftauen lag Studien übergreifend meist bei maximal 50 Prozent. Eine für die Besamung schon grenzwertige Qualität“, sagt IZW-Wissenschaftler Robert Hermes, Hauptautor der Studie.

Vor dem Einfrieren wird die Spermaprobe 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 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. Erfolgreich getestet wurde diese Mixtur an Spermienproben dreier Nashornspezies – dem Spitzmaul-, Breitmaul- und dem Panzernashorn.

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 wird bei der Besamung von Nutztieren der Verwendung von gefrorenen, in flüssigem Stickstoff (bei -196°C) gelagerten Spermien längst der Vorzug gegenüber frischen Spermien gegeben: Über 95 Prozent 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. Nashornspermien wurden erstmals 1979 tiefgefroren.

Weniger als zehn wissenschaftliche Publikationen gibt es bisher 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 Robert Hermes.

Nachdem im Frühjahr 2018 der letzte Bulle starb, leben nur noch zwei, mittlerweile infertile Weibchen dieser Spezies. Um die Art zu erhalten – etwa, wie kürzlich ebenfalls vom IZW publiziert: 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.“

Die Wirksamkeit der neuen Kombination von Kryoprotektiva haben die Forscher 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.“

Publikation

Cryopreservation in rhinoceros – setting a new benchmark for sperm cryosurvival
Robert Hermes, Thomas B. Hildebrandt, Frank Göritz
PLOS ONE 2018


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