Abstract

• Unterstützte Reproduktionstechniken sind In-vitro-Techniken, die bei vielen Tierarten weit verbreitet sind und dort sowohl gesundheitliche als auch wirtschaftliche Bedeutung haben.

• In den letzten Jahrzehnten gab es große Verbesserungen bei diesen Techniken, einschließlich der Manipulation von Gameten, der Kryokonservierung, der In-vitro-Fertilisation und der In-vitro-Erzeugung von Embryonen; die Wirksamkeit dieser Techniken ist jedoch im Vergleich zur Situation in vivo noch lange nicht optimal.

• Da die endgültige Reifung der Keimzellen, die Befruchtung und die frühe Embryonenspaltung in vivo im Eileiter stattfinden, wird vorgeschlagen, dass ein umfassenderes Wissen über die Umgebung des Eileiters dazu beitragen würde, die Effizienz der assistierten Reproduktionstechniken zu erhöhen, indem die natürlichen Bedingungen auf das Labor übertragen werden.

Einführung

Die Befruchtung findet bei vielen Tieren in einem bestimmten Bereich des weiblichen Genitaltrakts statt, dem Eileiter (Uterus oder Eileiter), der sich an die Gebärmutter anschließt und sich in der Nähe des Eierstocks befindet (Abbildungen 1 und 2). Der Eileiter ist ein komplexes fibromuskuläres Gebilde mit mehreren Schichten, bestehend aus Schleimhaut, Muskelschicht und einer verbindenden Serosa. Die Größe dieser verschiedenen Schichten hängt von der jeweiligen anatomischen Region des Ovidukts ab. In der Ampulla, wo die Befruchtung stattfindet, wurde eine stark gefaltete Schleimhaut beobachtet; die Größe und die Anzahl der Falten sind jedoch in der Isthmusregion und noch mehr an der Uterus-Tubus-Kreuzung reduziert (Abbildung 2c). Die Isthmusregion wird üblicherweise mit der Speicherung von Spermien vor dem Eisprung in Verbindung gebracht. Im Ovidukt finden sehr wichtige Ereignisse für die Befruchtung statt. So ist die Umgebung des Eileiters für die endgültige Reifung der weiblichen und männlichen Keimzellen, die Befruchtung und die frühe Embryonalentwicklung verantwortlich. Es ist wichtig zu bedenken, dass frühe Embryonen mehrere Tage im Eileiter verbringen, bevor sie die Gebärmutter erreichen, in der die Einnistung erfolgt. Folglich ist der Eileiter ein dynamisches Organ, das an verschiedene Situationen angepasst ist, die hauptsächlich durch die unterschiedlichen Hormonspiegel im Blut reguliert werden. Das Wissen über die Sekrete des Eileiters, in denen die Keimzellen und Embryonen vorübergehend untergebracht sind, nimmt ständig zu. Dennoch ist der Kenntnisstand noch relativ gering, und mehr Informationen über die biologischen Aktivitäten der Eileiterflüssigkeit wären aus häuslichen, wirtschaftlichen und fruchtbarkeitsbezogenen Gründen sehr nützlich. Es wurde beobachtet, dass die Fruchtbarkeit bei Haustieren durch genetische Selektion (z. B. Milchkühe) reduziert wird (Diskin und Morris, 2008). Aus diesem Grund gehen wir davon aus, dass die Erforschung der Bestandteile der Eileiterflüssigkeit die Fruchtbarkeit und Effizienz der verschiedenen Techniken der assistierten Reproduktion (ART) bei Haus- und Heimtieren verbessern wird. Diese Aspekte werden im Folgenden ausführlicher behandelt.

Wechselwirkungen zwischen Spermien und Eileiter

Die Befruchtung findet in einer speziellen Region des Eileiters statt, der sogenannten Ampulla, wo die Spermien in die extrazellulären Eihüllen (Kumuluszellen und Zona pellucida) eindringen. Die Ankunft der Eizelle und der Spermien im Eileiter ist nicht immer ein synchronisiertes Ereignis, da bei einigen Arten (z. B. Hund) die Eizelle zwei oder drei Tage vor der Befruchtung freigesetzt wird, während bei anderen (z. B. Fledermäusen) die Spermien bis zu sechs Monate vor dem Eisprung im weiblichen Genitaltrakt vorhanden sind (Holt, 2011). Folglich bietet die Umgebung des Eileiters vermutlich eine gute Umgebung für das Überleben und die Reifung der Gameten.

Der Eileiter kann verschiedene Funktionen erfüllen, da er über verschiedene anatomische Regionen (Abbildung 2) und eine komplexe Eileiterflüssigkeit verfügt, die aufgrund der Veränderungen während des Brunstzyklus dynamisch ist (Yañiz et al., 2006; Leese et al., 2008; Avilés et al., 2010). Dank der Entwicklung leistungsfähiger Analyseinstrumente hat man in letzter Zeit begonnen, diese Komplexität zu verstehen. So können beispielsweise mehrere hundert Proteine (Spots) identifiziert werden, wenn die Eileiterflüssigkeit biochemisch analysiert wird (Abbildung 3). Der Einsatz der zweidimensionalen Elektrophorese liefert qualitative und quantitative Informationen über die verschiedenen Proteine (Anzahl und Volumen der Spots) in der Eihautflüssigkeit. Mit dieser Art von Analyse können subtile Veränderungen (z. B. Phosphorylierung) in den Proteinen in Abhängigkeit vom Östruszyklus oder durch das Vorhandensein von Geschlechtszellen festgestellt werden. Zu den überraschenden Ergebnissen gehören die Veränderungen, die im Transkriptom des Eileiters aufgrund der Anwesenheit von Gameten oder Embryonen stattfinden (Fazeli et al., 2004; Georgiou et al., 2007; Almiñana et al., 2012). Je nach Entwicklungsstadium des Embryos (Vier-Zellen-Embryo oder Blastozyste) wurden sogar noch spezifischere Veränderungen beobachtet, die zu einer Herabregulierung von immunbezogenen Genen führten, die den Uterus bereits vor der Ankunft des Embryos in diesem Organ betreffen (Almiñana et al., 2012). Darüber hinaus wurden Veränderungen auch in Gegenwart von Spermien mit einem X- oder Y-Chromosom festgestellt (Almiñana et al., 2014). Die Expression von Genen (Transkriptom) und Proteinen (Proteom) im Eileiter wird von mehreren Arten geteilt, ist aber nicht identisch, was darauf hindeutet, dass einige Funktionen konserviert sind; es scheint jedoch, dass einige andere spezifische Eigenschaften für jede Art einzigartig sind (Bauersachs et al., 2003, 2004; Tone et al., 2008; Mondéjar et al., 2012). Dies sollte bei der Entwicklung spezifischer Verdünnungsmittel und Kulturmedien für verschiedene Spezies berücksichtigt werden.

Schutz und Überleben der Gameten

Es wurde berichtet, dass das Vorhandensein von Eileiterflüssigkeit einen positiven Effekt auf die Lebensfähigkeit der Spermien hat (Killian, 2011) und dass der Eileiter die für das Überleben der Eizellen notwendigen Nährstoffe und Enzyme mit antioxidativer Wirkung in der Eileiterflüssigkeit bereitstellt (Leese et al, 2008; Avilés et al., 2010). Diese Enzyme sind für die Spermien besonders wichtig, da sie leicht geschädigt werden, wenn sie reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ausgesetzt sind, die die Plasmamembran verändern (Protein- und Lipidperoxidation), was zu DNA-Brüchen führen kann (Aitken und Luliis, 2010). Darüber hinaus werden Spermien im weiblichen Genitaltrakt als fremde Zellen betrachtet, was das Überleben der Spermien aufgrund der immunologischen Überwachung beeinträchtigt (Kawano et al., 2014). Wie dieser Prozess reguliert wird, muss noch geklärt werden, unzweifelhaft ist jedoch, dass die Umgebung des Eileiters die Spermien schützt. Ein Beleg dafür ist die Tatsache, dass Spermien im Eileiter von einem oder zwei Tagen bei Kühen oder Sauen bis zu 6 Monaten bei der Fledermaus überleben können (Holt, 2011).

Oozytenreifung im Eileiter

Die Lebensdauer der Oozyte im Eileiter beträgt beim Menschen etwa 24 Stunden, was bei den meisten bisher untersuchten Arten ähnlich ist. Der Hund nimmt jedoch eine Sonderstellung ein, da die vom Eierstock zum Zeitpunkt des Eisprungs freigesetzte Eizelle unreif ist und vor der Befruchtung 2 bis 3 Tage im Eileiter verweilen muss, um zu reifen (Tsutsui et al., 2009). Bei einigen Arten ist die Effizienz der In-vitro-Fertilisation (IVF) immer noch gering, was vor allem auf die unzureichende Standardisierung der ART-Techniken zurückzuführen ist (Mondéjar et al., 2012). Zur Erklärung der Unterschiede zwischen der In-vivo- und der In-vitro-Effizienz der Befruchtung können jedoch zwei Hypothesen in Bezug auf die Eizellreifung im Eileiter in Betracht gezogen werden: (i) Die Vorgänge im Eileiter sind nicht von grundlegender Bedeutung, aber da sie bei In-vitro-Verfahren nicht stattfinden, überleben nur Eizellen von höchster Qualität. Dies wäre der Grund für den geringeren Prozentsatz des Erfolgs bei der ART im Vergleich zu den In-vivo-Verfahren. (ii) Die für In-vitro-Verfahren verwendeten Eizellen sind von geringerer Qualität als diejenigen, die physiologischerweise im Eileiter ovuliert und befruchtet werden, was zu Embryonen führt, die Veränderungen in nicht lebenswichtigen, aber für ihre Gesundheit im Erwachsenenalter wichtigen Merkmalen aufweisen, wie beispielsweise epigenetische Markierungen (El Hajj und Haaf, 2013). Mehrere Proteine in der Eileiterflüssigkeit können sich an die extrazelluläre Hülle der Eizelle, die Zona pellucida (ZP), binden und sowohl deren Protein- als auch Kohlenhydratzusammensetzung verändern. So wurde nachgewiesen, dass das eierstockspezifische Glykoprotein (OVGP1), Osteopontin, Prostaglandin-D-Synthase vom Lipocalin-Typ und Lactoferrin mit der ZP verschiedener Spezies assoziiert sind (Goncalves, et al., 2008). OVGP1 ist das am meisten untersuchte ZP-assoziierte Protein, und seine Rolle bei der Verhärtung der ZP vor der Befruchtung, die die Polyspermie beim Schwein reduziert, wurde nachgewiesen (Coy et al., 2008).

Mehrere Mechanismen, die an der Bindung zwischen Spermien und ZP und am allgemeinen Befruchtungsprozess (der die Möglichkeit der Polyspermie reguliert) beteiligt sind, werden durch den Eileiter moduliert. Was die Verhärtung der ZP vor der Befruchtung betrifft, so hat eine Reihe von Experimenten mit Eizellen von neun Arten und Eileiterflüssigkeit von fünf Arten gezeigt, dass die kurze Inkubation der Eizelle mit Eileiterflüssigkeit zu einer deutlichen Veränderung der ZP-Resistenz gegenüber enzymatischer Verdauung führt (Mondéjar et al., 2013). Die erzielten Ergebnisse waren jedoch nicht identisch, was auf eine gewisse Spezifität hindeutet, die (i) auf die unterschiedliche Proteinzusammensetzung der Eileiterflüssigkeit oder sogar auf eine unterschiedliche Proteinsequenz, die durch das orthologe Gen kodiert wird, wie für OVGP1 (Avilés et al., 2010) nachgewiesen wurde, oder (ii) auf eine unterschiedliche ZP-Zusammensetzung (Protein und Kohlenhydrat; Stetson et al., 2012) zurückzuführen sein könnte. Einige der Unterschiede zwischen den Spezies könnten sogar auf das Fehlen von Protein zurückzuführen sein, wie es bei OVGP1 beim Pferd und bei der Ratte der Fall ist. Beim Pferd sind die Spermien außerdem nicht in der Lage, die Eizelle in vitro zu befruchten; wird die Eizelle jedoch mit porciner Eileiterflüssigkeit oder dem Eileiterprotein DMBT1 inkubiert, steigt die Befruchtungsrate stark an (Ambruosi et al, 2013), was die Bedeutung des Ovidukts bei dieser Spezies zeigt.

Die Spermien im Ovidukt

Die Spermien heften sich an das Oviduktalepithel in der Isthmusregion. Diese Bindung ist verantwortlich für die Bildung eines Spermienreservoirs, das auf den Zeitpunkt des Eisprungs wartet. Diese Bindung ist nicht nur wichtig, um die Lebensfähigkeit der Spermien zu erhalten, sondern auch, um eine vorzeitige Kapazitation zu verhindern, die die Befruchtung beeinträchtigen oder sogar verhindern würde. Die Freisetzung von Spermien aus diesem Reservoir scheint durch verschiedene Faktoren vermittelt zu werden, darunter Signale, die durch den Cumulus-Oozyten-Komplex (COC) vermittelt werden, Komponenten des Eileiters, die die Spermienbindung modifizieren, sowie Veränderungen des Progesteron- und Östradiolspiegels und der Hyperaktivierungsmotilität der Spermien (Suarez, 2006, 2008; Kölle et al., 2009; Talevi und Gualtieri, 2010; Coy et al., 2012).

Die bei der Ejakulation freigesetzten Spermien sind nicht in der Lage, die Eizelle zu befruchten, und müssen sich im weiblichen Fortpflanzungstrakt aufhalten, bevor sie die Fähigkeit erwerben, den Befruchtungsprozess abzuschließen. Die verschiedenen biologischen Veränderungen, die Spermien im weiblichen Genitaltrakt durchlaufen, werden als Kapazitation bezeichnet, ein Prozess, der unabhängig voneinander von Austin (1951) und Chang (1951) am Kaninchen als Tiermodell entdeckt wurde. Der detaillierte molekulare Mechanismus, der an diesem Prozess beteiligt ist, ist noch nicht bekannt, was vor allem daran liegt, dass es schwierig ist, festzustellen, was wirklich im Eileiter passiert. Die an den Spermien beobachteten Veränderungen können durch eine Umverteilung oder Freisetzung von Proteinen hervorgerufen werden, obwohl auch andere Faktoren beteiligt sein können (Yanagimachi, 1994; Florman und Ducibella, 2006). Es wurde berichtet, dass die Spermien durch die Bindung verschiedener Oviduktalproteine (Osteopontin und OVGP1) verändert werden, die im Allgemeinen die Lebensfähigkeit, Beweglichkeit und Kapazität der Spermien bei verschiedenen Arten erhöhen (Kan et al., 2006; Killian, 2011). OVGP1 ist also nicht nur in der Lage, das ZP und die Spermien zu binden, sondern auch die Proteinphosphorylierung in den Spermien zu erhöhen, die mit der Spermienkapazitation in Zusammenhang steht (Kan et al., 2006). Andere Mechanismen, die an der Kapazitation von Rinder- und Schweinespermien beteiligt sind, hängen mit dem Vorhandensein verschiedener Glykosidasen in der Oviduktalflüssigkeit (Carrasco et al., 2008) und in den Oviduktalepithelien zusammen (Ma et al., 2012). Außerdem wurde kürzlich die Freisetzung von Sialidase aus der Plasmamembran der Spermien während der Kapazitation beschrieben (Ma et al., 2012). Diese Glykosidasen können die Bindung der Spermien an das Oviduktalepithel und damit ihre Freisetzung aus dem Spermienreservoir beeinflussen. Vor kurzem wurde erstmals ein neuer Mechanismus beschrieben, der für spezifische Veränderungen verantwortlich ist, die von kleinen Vesikeln (Exosomen) während des Transits der Spermien durch den Eileiter vermittelt werden (Al-Dossary et al., 2013). Jüngste Studien mit genetisch veränderten Mäusen haben die Bedeutung des weiblichen Genitaltrakts für die Spermienfruchtbarkeit eindeutig belegt (Kawano et al., 2010; Turunen et al., 2012). Solche veränderten Mäuse sind subfertil oder nicht in der Lage, die Eizelle mit IVF-Techniken zu befruchten. Diese genetisch veränderten männlichen Mäuse sind jedoch in vivo fruchtbar. Es wurde festgestellt, dass ihre Spermien in der Lage sind, die Eizelle mit IVF-Techniken zu befruchten, wenn sie mit Gebärmuttersekreten inkubiert werden, ein Prozess, der möglicherweise durch Exosomen vermittelt wird, wie oben beschrieben (Kawano et al., 2010). Die Sekrete des weiblichen Genitaltrakts könnten verwendet werden, um die Fähigkeit der Spermien zur Befruchtung in vitro zu verbessern, wenn es sich um Männer mit hohem genetischen Wert, aber ansonsten geringer Fruchtbarkeit handelt.

Gameten- und Embryotransport im Eileiter

Gameten und Embryonen müssen zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein; daher leistet der Eileiter einen wichtigen Beitrag zu diesem Prozess. Die Spermien müssen die Ampulla des Eileiters erreichen, um die Eizelle zu befruchten. Nach der Befruchtung müssen die Zygote und die frühen Embryonen in die Gebärmutter transportiert werden, um die Einnistung der Blastozyste in der Gebärmutterschleimhaut zu ermöglichen. Der Mechanismus ist jedoch nicht so einfach wie erwartet.

Transport von Eizellen und Embryonen

Oozyten und Embryonen sind unbeweglich. Die Eizellen sind zum Zeitpunkt des Eisprungs von einer großen Anzahl von Zellen (Kumuluszellen) umgeben, wenn sie eine Struktur bilden, die als Kumulus oophorus bezeichnet wird und vom Infundibulum aufgefangen wird (Abbildung 2). Sie haben nicht die Fähigkeit, sich wie die Spermien zu bewegen, und müssen passiv transportiert werden. Es wurde berichtet, dass geringfügige Veränderungen im Ausmaß der Kumulusexpansion die anfängliche Adhäsion der Kumulus-Oozyten-Komplexe an das Epithel im Infundibulum beeinträchtigen und ihren weiteren Transport behindern (Suarez, 2006). Zwei wesentliche Komponenten sind am Transport der Eizelle zum Befruchtungsort beteiligt: die koordinierten Kontraktionen der glatten Muskelzellen (Myosalpinx oder Muskelschicht) entlang der Länge des Eileiters und der Zilienschlag der Epithelzellen (Abbildung 4). Wenn die Kontraktionen des Eileiters gestört sind, erreicht die Eizelle bei Mäusen nicht die Befruchtungsstelle (Dixon et al., 2009). Embryonen und Eizellen werden im Eileiter der Stute und der Ratte mit unterschiedlicher Geschwindigkeit transportiert (Suarez, 2006). Somit ist das von den Embryonen produzierte Prostaglandin E2 an diesem Prozess beteiligt. Kürzlich wurde berichtet, dass Embryonen eine Veränderung der Genexpression im Eileiter induzieren und folglich ihre eigene Umgebung modulieren können (Almiñana et al., 2012).

Spermientransport

Trotz der großen Anzahl von Spermien, die bei der Ejakulation freigesetzt werden (mehr als 40 Millionen und 37.5 Milliarden beim Menschen und beim Wildschwein) erreichen nur wenige Spermien die Ampulle (100-1000 bzw. 5000 beim Menschen und beim Wildschwein) und eine große Anzahl wird verworfen (Harper, 1994; Hunter, 2012a; Suarez, 2006). Das Vorhandensein einer geringeren Anzahl von Spermien am Ort der Befruchtung bedeutet, dass das Verhältnis von Eizelle zu Spermien nahezu 1:1 ist. Dies ist wichtig, da zahlreiche Spermien die Polyspermie erhöhen würden, die für Säugetierembryonen tödlich ist (Hunter, 2012a). Der Mechanismus, durch den die Spermien die Eizellen finden, ist noch unbekannt. Neuere Studien deuten darauf hin, dass die Spermien die Befruchtungsstelle aufgrund eines Chemotaxis- und/oder Thermotaxis-Mechanismus erreichen (Eisenbach und Giojalas, 2006; Hunter, 2012b), Prozesse, die dafür verantwortlich wären, dass die Spermien in den oberen Teil des Eileiters gelenkt werden. Es wurde vermutet, dass ein chemischer Gradient, der durch das von den Kumuluszellen produzierte Progesteron vermittelt wird, beteiligt ist (Eisenbach und Giojalas, 2006; Coy et al., 2012; Guidobaldi et al., 2012). Bei Mäusen, die denudierte Eileiter-Oozyten produzieren, kommt es in vivo nicht zur Befruchtung; diese Oozyten können jedoch in vitro befruchtet werden, was auf die Bedeutung dieser Struktur für die in vivo-Situation hindeutet (Zhuo et al., 2001). Diese Studien weisen auf die Bedeutung des Cumulus oophorus hin und erinnern uns daran, dass Daten, die mit Hilfe von In-vitro-Modellen gewonnen wurden, sorgfältig interpretiert werden müssen; außerdem unterstreichen sie den Bedarf an genaueren In-vitro-Modellen, die die In-vivo-Umgebung besser nachahmen. Bislang sind die Fortschritte in diesem Bereich nur langsam. Man würde erwarten, dass der Eintritt der Spermien in den Eileiter ein relativ einfacher Prozess ist, der von der Muskelkontraktion der Gebärmutter und der durch Chemo- oder Thermotaxis gesteuerten Spermienmotilität abhängt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Spermien nicht in der Lage sind, die Tubenkreuzung der Gebärmutter zu passieren, wenn eines der Spermienproteine (z. B. ADAM3) verändert ist (Okabe, 2013). Es bleibt noch herauszufinden, welche spezifische molekulare Interaktion zwischen den Spermien und dem Eileiter besteht, die den Spermien das Eindringen in den Eileiter ermöglicht.

Auswirkung der Umgebung des Eileiters auf die Entwicklung des Embryos

Die Tatsache, dass Embryonen in vitro gewonnen werden können und dass Spenderinnen ohne eigene Embryonen im Uterus nach dem Embryotransfer eine Schwangerschaft herbeiführen können, stellt die Rolle des Eileiters in Frage. Bei verschiedenen Tierarten wurde jedoch nachgewiesen, dass die Qualität der Blastozysten, die nach der Kultivierung der Embryonen im Eileiter gewonnen wurden, besser ist als die der in vitro erzeugten Embryonen, zumindest in Bezug auf Morphologie, Genexpression, Kryotoleranz und Schwangerschaftsrate nach dem Transfer (Rizos et al., 2007; 2010a; Mondéjar et al., 2012; Van Soom et al., 2014). Dies zeigt, dass der Eileiter nicht nur ein Organ für den Transport der Zygote/des frühen Embryos durch die Gebärmutter ist, sondern dass es eine Kommunikation zwischen ihnen gibt. Die ersten Stadien der Embryonalentwicklung finden im Eileiter statt, wo der Embryo etwa 4 bis 5 Tage verbringt, unabhängig von den großen Unterschieden in der Länge des Eileiters, die bei verschiedenen Arten beobachtet werden (vgl. Abbildungen 1 und 2b; Suarez, 2006; Wang und Dey, 2006). In diesem Zeitraum finden mehrere wichtige Ereignisse statt, von denen das erste der Spaltungsprozess und die Umstellung vom mütterlichen Genom auf das embryonale Genom ist. Jede Veränderung der Kulturumgebung, die sich auf einen dieser Prozesse auswirkt, könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die Qualität der Blastozysten haben (Lonergan et al., 2003a). Kürzlich wurde berichtet, dass eine Änderung der Kulturbedingungen von in vivo zu in vitro oder umgekehrt zu einem bestimmten Zeitpunkt der frühen Embryonalentwicklung, sei es vor oder nach der Aktivierung des embryonalen Genoms, die Genexpressionsmuster der entstehenden Blastozysten entscheidend beeinflusst (Gad et al., 2012). Darüber hinaus wurde zunächst beobachtet, dass die Spaltung des Embryos (Zellteilungen) blockiert wird (Zwei-Zell-Stadium bei Mäusen und Acht-Zell-Stadium bei Kühen), wenn die In-vitro-Kulturbedingungen nicht optimal sind. Bei Mäusen wurde die Blockade der Embryonalentwicklung nach Zugabe des Eileiterproteins OVGP1 zum Kulturmedium überwunden (Yong et al., 2002). Mehrere experimentelle Studien haben gezeigt, dass der Eileiter verschiedener Arten ähnliche biologische Eigenschaften aufweist, was mit ähnlichen transkriptomischen und proteomischen Profilen übereinstimmt (Mondéjar et al., 2012). Daher kann der Eileiter einer bestimmten Spezies verwendet werden, um die Embryonalentwicklung einer anderen Spezies zu verbessern, was als hetorologisches Verfahren bekannt ist. Die Eileiter von Rindern, Mäusen, Kaninchen und Schafen wurden für die Embryokultur in heterologen oder homologen In-situ-Eileitern verwendet, um Embryonen von besserer Qualität aus vielen Arten zu erzeugen (Rizos et al., 2002a, 2010a; Lazzari et al., 2010). Die Kommunikation zwischen dem Eileiter und dem Embryo ist fein reguliert; beim Rind entwickelt sich beispielsweise in vivo nur ein Embryo, während in vitro die Kultur von Embryonen in Gruppen für eine höhere Entwicklungsrate der Blastozysten notwendig ist (Goovaerts et al., 2009).

Zukunftsperspektiven: Die Grundlagenforschung wird die Effizienz der assistierten Reproduktionstechniken verbessern

Es ist davon auszugehen, dass sich die Wirksamkeit der ART in dem Maße verbessern wird, wie unser Wissen über den In-vivo-Prozess zunimmt. Unser Wissen über die In-vitro-Umgebungen beruht weitgehend auf Versuch und Irrtum und nicht auf der genauen Kenntnis der Bedürfnisse von Gameten und Embryonen; daher wird die ART unweigerlich eine suboptimale Umgebung schaffen, die zu einem uneinheitlichen Repertoire an biochemischen Signalen führt. Die Kenntnis der sekretorischen Komponenten des Eileiters wird nützliche Informationen für die Verbesserung verschiedener ART-Techniken mit wichtigen wirtschaftlichen und gesundheitlichen Folgen liefern. So werden einige der Arterhaltungsprotokolle, die Unfruchtbarkeit und genetische Erhaltung abdecken, unweigerlich verbessert werden. Die Entwicklung der künstlichen Befruchtung ist bei den verschiedenen Tierarten in unterschiedlichem Maße erfolgt, was zeigt, dass der Befruchtungsprozess zwar ähnlich, aber nicht bei allen Arten identisch ist (Mondéjar et al., 2012; Van Soom et al., 2014), so dass künftige Forschungen an verschiedenen Tiermodellen empfohlen werden. Der Eileiter ist äußerst wichtig für Eizellen, Spermien und Embryonen. In vivo trägt der Eileiter zum Schutz und zur Reifung der Spermien bei. Das Wissen um die Regulierung dieses Prozesses wird es ermöglichen, diese Erkenntnisse auf die Verbesserung verschiedener Samenverdünner (so genannter Extender) zu übertragen, die die Vitalität und Qualität der Spermien bei der Spermienlagerung, Kryokonservierung, künstlichen Befruchtung, IVF und Geschlechtertrennung verbessern. Frühere Studien haben gezeigt, dass der Zusatz von Eileiterproteinen zu Spermienverdünnern die Befruchtungsfähigkeit und das Überleben von geschlechtsspezifisch sortierten Spermien verbessert (Klinc und Rath, 2007; Lloyd et al., 2012). Eine detaillierte Untersuchung der Biologie des Ovidukts wird zu unserem Verständnis der Reifung von Oozyten im Ovidukt beitragen und neue Instrumente zur Verbesserung des Überlebens und der Meiosekompetenz, der Kontrolle der Polyspermie und der Spermienpenetration bereitstellen. Schließlich belegen wir die Bedeutung des Eileiters für die Entwicklung besserer Kulturmedien für die Entwicklung und das Überleben von Embryonen nach der Kryokonservierung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jahrzehntelange wissenschaftliche Grundlagenstudien zur Physiologie des Eileiters wichtige Informationen über die In-vivo-Fertilisation geliefert und dazu beigetragen haben, Ziele zu erreichen, die sich nur wenige hätten vorstellen können. Wir sind davon überzeugt, dass in naher Zukunft die neuen Erkenntnisse über die Wirkung des Eileiters auf Gameten und Embryonen die Effizienz der ART verbessern werden, mit offensichtlichen gesundheitlichen und wirtschaftlichen Vorteilen.

Wir möchten uns dafür entschuldigen, dass wir aus Platzgründen nicht alle relevanten Artikel, die zur Entwicklung dieses Bereichs beigetragen haben, aufführen konnten. Wir möchten uns bei allen Mitgliedern unserer Labors für ihre wissenschaftlichen Beiträge in diesen Jahren bedanken. Die Autoren danken Dr. Alejandro Torrecillas und Omar Salvador Acuña für die Erstellung der Abbildungen 3 bzw. 4. Das spanische Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit und die Europäische Kommission (FEDER/ERDF) unterstützten die Forschung von D. Rizos (AGL2012-37510), P. Coy (AGL2012-40180-C03-01) und M. Avilés (AGL2012-40180-C03-02). M. Avilés wird außerdem von der Fundación Séneca de la Región de Murcia (0452/GERM/06) unterstützt.

Manuel Avilés ist außerordentlicher Professor in der Abteilung für Zellbiologie und Histologie an der Fakultät für Medizin und Krankenpflege der Universität von Murcia (Spanien). Er promovierte 1997 in Murcia mit einer Arbeit über die extrazelluläre Hülle der Eizelle, die Zona pellucida, und ihre Veränderungen nach der Befruchtung. Er entwickelte Forschungsaktivitäten an der Queen’s University (Kingston, Kanada), der Emory University (Atlanta, USA) und der Lehigh University (Bethlehem, USA). Seine Hauptforschungsinteressen konzentrieren sich auf die molekularen Mechanismen, die an der Spezifität der Erkennung zwischen Spermium und Eizelle beteiligt sind, und darauf, wie der Eileiter zur Reifung der Gameten beiträgt.

Dimitrios Rizos promovierte 2002 am University College Dublin (Irland) und arbeitete anschließend als Post-Doc. Im Jahr 2004 erhielt er eine fünfjährige Forschungsstelle in der Abteilung für Tierreproduktion (INIA, Madrid, Spanien), und seit 2006 ist er leitender Forscher und Leiter des Labors für Präimplantationsembryologie. Seine Forschungsschwerpunkte sind die frühe Embryonalentwicklung in vivo und in vitro bei Säugetieren und die Qualität von Embryonen, Mechanismen zur Steuerung der Interaktion zwischen Mutter und Embryo, Faktoren, die für die Unfruchtbarkeit von Milchkühen verantwortlich sind, sowie Strategien zur Verringerung von Embryonenverlusten und zur Erhöhung der Trächtigkeit. Er hat mehr als 70 hochwirksame Veröffentlichungen, mehr als 100 Abstracts und mehrere Forschungsprojekte publiziert und arbeitet international zusammen.

Pilar Coy ist Professorin für Reproduktionsphysiologie an der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Murcia, Spanien. Sie promovierte 1990 mit einer Arbeit über die In-vitro-Fertilisation bei Schweinen an der Universität Murcia. Sie hat vor und nach ihrer Promotion an der Universität von Bologna (Italien), der University of California-Davis (USA), dem Babraham Institute in Cambridge (UK), der University of Tennessee (USA) und dem Institute of Zoology (London, UK) geforscht. Ihre Hauptforschungsziele konzentrieren sich auf die Untersuchung des physiologischen Umfelds im Eileiter während der Befruchtung und auf die Identifizierung von Faktoren im Eileiter, die die Interaktion der Gameten beeinflussen.

Zitierte Literatur