Der Hindernislauf eines Spermas zum Ei

Quelle: Original Cartoon von Alex Martin

Manche Männer produzieren zu viele Spermien. Diese wenig erwähnte Tatsache stand im Mittelpunkt meines vorherigen Blogposts. (Siehe Warum zu viele Spermien das Ei verderben , veröffentlicht am 11. August 2017.) Bei zu vielen Spermien umgibt eine ungewöhnlich dichte Wolke das Ei und mehr als ein Spermium kann eindringen ( Polyspermie ). In den meisten menschlichen Fällen befruchten zwei Spermien ein Ei, wodurch neben dem normalen Paar von Vater und Mutter ein Embryo mit einem zusätzlichen Chromosomensatz erhalten wird ( triploider Zustand ). Der zusätzliche Chromosomensatz hat unweigerlich katastrophale Auswirkungen, mit Verlust des Fötus oder Tod des Kindes innerhalb von Stunden nach der Geburt. Irgendeine Art von Chromosomenanomalie ist in etwa der Hälfte aller Fehlgeburten vorhanden, und ein Viertel dieser Anomalien beinhaltet zusätzliche Chromosomensätze.

Tag 1 menschliche Zygote, die von einem einzelnen Spermium produziert wurde, das ein Ei befruchtete. Weibliche und männliche Vorkerne und ein Polkörper können gesehen werden.

Quelle: Autor: NinaSes (2015). Wikimedia Commons; Datei lizenziert unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 Internationale Lizenz.

Die Odyssee des Spermas

Obwohl Ejakulate männlicher Säugetiere typischerweise eine große Anzahl von Spermien enthalten – im Durchschnitt etwa 250 Millionen beim Menschen -, gelangen überraschend wenige in die Nähe eines Eies. In der Tat ist der Fortpflanzungstrakt von weiblichen Säugetieren anscheinend speziell angepasst, um die Anzahl von Spermien zu minimieren, die die oberen Abschnitte des Eileiters erreichen (die Röhre, entlang der das Ei reist, um die Gebärmutter zu erreichen).

Eine 2006 erschienene Arbeit von Susan Suarez und Allan Pacey überprüfte fachmännisch die Odyssee mit Spermien, die den weiblichen Fortpflanzungstrakt passieren. Für den Anfang entkommt nur ein Teil des Ejakulats aus der feindseligen Säure der Vagina in den Gebärmutterhals . Wenn die Spermien den Gebärmutterhals hinaufwandern, filtern die Schleimstränge jegliche abnorme Formen heraus oder schwimmen zu langsam. Wenn die zervikale Barriere umgangen wird, indem Samen direkt in die Gebärmutter injiziert wird ( intrauterine Insemination – IUI ), erreicht der Schwangerschaftserfolg über 20 Millionen Spermien. Dies deutet darauf hin, dass nur 10% der Spermien in einem natürlichen Ejakulat die Gebärmutter erreichen. Sobald Spermien in die Gebärmutter gelangen, unterstützen Muskelkontraktionen ihre Passage zum Eileiter. Nur ein paar tausend Spermien treten in die relativ kongeniale Umgebung des Eileiters ein. Sein unteres Ende, der Isthmus , dient als Reservoir, wo Spermien an das Eileiterfutter binden und dann gestaffelt freigesetzt werden. Nach der Entlassung werden die Spermien kapazitiert und hyperaktiv, was ihnen ermöglicht, zum oberen Ende des Eileiters ( Ampulla ) zu gelangen, wo die Befruchtung stattfindet. Das Ergebnis aller Hindernisse ist, dass nur etwa hundert Spermien zu jeder Zeit in der Ampulle vorhanden sind. Die fortschreitende Verringerung der Spermienzahl zwischen Befruchtung und Befruchtung dient zweifellos dazu, das Risiko der Polyspermie zu reduzieren.

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Diagramm zur Veranschaulichung der stufenweisen Reduktion der Anzahl von Spermien entlang des Fortpflanzungstrakts einer Frau. 1. Nur ein Teil des in die Vagina eingelagerten Ejakulats dringt in den Gebärmutterhals ein. 2. In der Zervix filtern Schleimstränge aberrante Spermien heraus. 3. Spermien dringen in das untere Ende des Ovidukts (Isthmus) ein und binden sich an seine innere Auskleidung. 4. Spermien, die von der Eileiter-Auskleidung freigesetzt werden, können zur Ampulla gelangen, wo eine Befruchtung stattfindet.

Quelle: Autor: Shazz (2006). Wikimedia Commons; Datei lizenziert unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Unported-Lizenz.

Unter vielen anderen Vorschlägen führte die grassierende Spekulation um mögliche Funktionen des menschlichen Orgasmus zu der Hypothese, dass es eine Anpassung darstellt, um den Transport von Spermien zum Ei zu erleichtern. Es ist bekannt, dass ein Orgasmus mit einer verstärkten Freisetzung des Hormons Oxytocin einhergeht, was möglicherweise einen aktiven Spermientransport auslösen könnte. Wie Roy Levin 2011 bemerkte, ignoriert diese Hypothese jedoch völlig die Tatsache, dass die Vermeidung von Polyspermie tatsächlich eine fein abgestimmte Kontrolle des Spermientransits durch den weiblichen Trakt erfordert. Nach der Befruchtung besteht die primäre Herausforderung für den weiblichen Fortpflanzungstrakt darin, eine abgestufte Verringerung der Spermienzahl zu erreichen, und nicht den Spermiendurchgang zum Ei zu beschleunigen.

Verfahren zur In-vitro-Fertilisation (IVF).

Quelle: Autor: MartaFF (2015). Wikimedia Commons; Datei lizenziert unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 Internationale Lizenz.

Lehren aus der In-vitro-Fertilisation

Das Aufkommen der Reagenzglasbabys im Jahr 1978 eröffnete neue Möglichkeiten, die Befruchtung des menschlichen Eies zu untersuchen, während gleichzeitig die Möglichkeit eingeführt wurde, dass Fehler aufgrund ungeeigneter Spermiendichten auftreten könnten. Dies wurde jedoch nicht als Problem angesehen, als die In-vitro- Fertilisation (IVF) zuerst entwickelt wurde. Im Jahr 1981 lieferte der IVF-Pionier Robert Edwards einen der ersten Kommentare zur möglichen Polyspermie. Er berichtete von ersten Arbeiten, dass ein Fötus, der in der zwölften Schwangerschaftswoche fehlgegangen war, als triploid befunden wurde. Obwohl Patricia Jacobs und Kollegen 1978 bereits Ergebnisse aus einer großen Umfrage berichtet hatten, die zeigten, dass Triploidie in der menschlichen Empfängnis relativ häufig vorkommt (1-3%), erklärte Edwards, dass diese Chromosomenanomalie "wegen der überwiegenden Mehrheit der Eier" nicht ernsthaft quantitativ sein könnte werden von einem einzigen Spermium befruchtet. Zugegeben, die Häufigkeit, die Jacobs und Kollegen berichteten, war für natürliche Vorstellungen. Für Eier, die in vitro einer nicht natürlichen Spermiendichte ausgesetzt waren, lagen 1981 keine vergleichbaren Informationen vor.

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In einer Arbeit von 1981 haben Ian Craft und Kollegen die Spermienzahlen im Zusammenhang mit IVF explizit diskutiert. Sie stellten fest, dass die Anzahl der Spermien, die ein Ei während der natürlichen Empfängnis umgaben, unbekannt war und dass die ideale Anzahl von Spermien für die In-vitro- Befruchtung nicht bewertet worden war. Edwards und Kollegen verwendeten angeblich zwischen 100.000 und einer Million Spermien, während das Craft-Team eine Befruchtung mit nur 10.000 beweglichen Spermien in dem Kulturmedium erreichte, das das Ei umgibt. Sie sagten voraus, dass weit geringere Zahlen sich als ausreichend erweisen würden, "wodurch das Risiko einer polyspermischen Düngung verringert wird".

Zusammenhang zwischen Spermienzahl und Befruchtungserfolg bei humaner In-vitro-Fertilisation. Beachten Sie, dass der Erfolg der Befruchtung progressiv zunimmt, wenn die Zahl der Spermien von 500.000 auf 25.000 sinkt, aber dieser Erfolg wird durch einen weiteren Rückgang auf 10.000 Spermien radikal eingeschränkt.

Quelle: Angepasst an eine Figur in Wolf et al. (1984).

Später, im Jahr 1984, berichteten Don Wolf und Kollegen ausführlicher über die Beziehungen zwischen der Spermienkonzentration und der In-vitro- Befruchtung von menschlichen Eiern. Es wurde festgestellt, dass der Fertilisationserfolg tatsächlich mit steigenden Spermienzahlen im Bereich von 25.000 bis 500.000 mit einer maximalen Befruchtung von 80,8% bei der niedrigsten Dichte abnimmt . Im Gegensatz dazu stand der Grad der polyspermischen Befruchtung in direktem Zusammenhang mit der Spermienkonzentration, die von Null bei weniger als 25.000 Spermien / cm3 auf 5.5% bei 500.000 Spermien / cm 3 anstieg. Wolf und Kollegen betonten, dass Konzentrationen von zwischen einer halben und einer Million Spermien pro Ei im Vergleich zu den etwa hundert, die in der natürlichen Befruchtung an der Befruchtungsstelle vorhanden seien, bemerkenswert hoch seien. Eine 1985 erschienene Arbeit von Hans van der Ven und seinen Kollegen bekräftigte die Ergebnisse des Wolf-Teams. Seit den 1980er Jahren wurde relativ wenig über optimale Spermienzahlen für IVF veröffentlicht. In der Regel werden jetzt relativ niedrige Spermadichten verwendet, und 2013 berichtete Ping Xia, dass unter diesen Bedingungen etwa 7% der befruchteten Eier polyspermisch sind. Bei modernen IVF-Verfahren werden bei einer Routineuntersuchung derartige Fälle vor der Übertragung in die Gebärmutter eliminiert.

Diagramm eines Orchidometers zur Bestimmung des Hodenvolumens. Zahlen geben die Lautstärke in ccs an. Größen 1-3 ccs (gelb) werden typischerweise vor der Pubertät gefunden, die Größen 4-12 ccs (orange) treten im Allgemeinen während der Pubertät auf, und die Größe 15-25 ccs (rot) findet sich normalerweise bei Erwachsenen.

Quelle: Autor: Filip em (eigene Arbeit). Wikimedia Commons; Datei lizenziert unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Unported Lizenz.

Hodengröße, Testosteron und Spermienzahl

Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Hodengröße, Testosteronspiegel und Spermienproduktion in einem funktionellen Netzwerk miteinander verbunden sind. Hodenvolumen wird oft durch Berechnung aus maximaler Länge und Breite, gemessen mit Messschiebern, geschätzt. In einer Arbeit aus dem Jahr 2004 berichteten Leigh Simmons und Kollegen über eine starke Korrelation zwischen Hodengröße und Spermienzahl, die aus linearen Messungen in einer Studie an freiwilligen Versuchspersonen berechnet wurde. In vielen Studien, die von medizinischem Fachpersonal durchgeführt wurden, wurde das Hodenvolumen jedoch durch Palpation bestimmt, begleitet von einem Vergleich mit einem Standardsatz von ovalen Modellen, die ursprünglich von Andrea Prader (1966) entwickelt wurden. Diese Vorrichtung, bekannt als Orchidodometer, besteht aus zwölf hölzernen oder plastischen Ovoiden mit Volumina von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20 bzw. 25 ccs. Kinderärzte verwenden regelmäßig Orchidometer ("das Stethoskop des Urologen"), um individuelle Entwicklung zu studieren. Im Durchschnitt wachsen Hoden von der Geburt bis zum elften Jahr (1-3 ccs) sehr wenig, danach beginnen sie sich zu vermehren, um während der Pubertät etwa 12 ccs zu erreichen. Das nachfolgende Wachstum ist sehr schnell und der Übergang zum erwachsenen Zustand (typischer Bereich: 15-25 cc) dauert nur drei Jahre.

Zusammenhang zwischen der Gesamtzahl der Spermien in den Ejakulaten von 50 Männern und dem kombinierten Volumen der beiden Hoden.

Quelle: Angepasst an eine Figur in Simmons et al. (2004).

Mit hohen Testosteronspiegeln, großen Hoden und übertriebenen Spermien können einige Männer "hypermaskulin" sein. Die Verdächtigungen vieler Frauen bestätigend, kann es wirklich gesagt werden, dass Männer an Testosteronvergiftung leiden können. Ein großer Nachteil bei der Produktion einer ungewöhnlich großen Anzahl von Spermien ist, dass es das Potenzial für Polyspermie mit der Folge einer Störung der fetalen Entwicklung erhöht. Vermutlich arbeitet die natürliche Selektion im Allgemeinen so, dass die Spermienproduktion auf einem optimalen Niveau gehalten wird, was einen Kompromiss zwischen der Maximierung der Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Befruchtung und der Minimierung des Risikos von Polyspermie widerspiegelt. Und der weibliche Fortpflanzungstrakt ist offenbar auf eine stufenweise Reduktion der Spermienzahl abgestimmt.

Verweise

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Edwards, RG (1981) Reagenzglasbabys, 1981. Nature 293 : 253-256.

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Prader, A. (1966) Hodengröße: Beurteilung und klinische Bedeutung. Dreieck 7 : 240-243.

Simmons, LW, Firman, LC, Rhodes, G. & Peters, M. (2004) Menschliche Spermien Konkurrenz: Hodengröße, Spermienproduktion und Raten von Extrapaarkopulationen. Tierverhalten 68 : 297-302.

Suarez, SS & Pacey, AA (2006) Spermientransport im weiblichen Fortpflanzungstrakt. Aktualisierung der menschlichen Fortpflanzung 12 : 23-37.

van der Ven, H. H., Al-Hasani, S., Diedrich, K., Hamerich, U., Lehmann, F. & Krebs, D. (1985) Polyspermy bei der In-vitro-Fertilisation menschlicher Oozyten: Häufigkeit und mögliche Ursachen. Annalen der New Yorker Akademie der Wissenschaften 442 : 88-95.

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