Spermien aus der Kapsel

Bei Schweizer Kühen ist die künstliche Besamung selbstverständlich geworden, denn die Vorteile liegen auf der Hand. Gezielt können verschiedene Kühe mit gesundem Sperma befruchtet und die Zucht veredelt werden.

Die Tiere müssen nicht transportiert werden und sind geschützt vor Deckungsinfektionen und Verletzungen. Doch nicht alle künstlichen Befruchtungen sind erfolgreich, da man zwar den Kühen aufgrund ihres Verhaltens ansehen kann, wann sie in die Brunst kommen, aber weder Tierhalter noch Veterinär den exakten Zeitpunkt des Eisprungs bestimmen können. Die Trefferquote ist denn auch nicht besonders hoch: Von 100 einmal künstlich besamten Kühen bringen nur 60 ein Kalb zur Welt. Bei den restlichen stirbt entweder der Embryo ab oder die Eizelle wird nicht befruchtet.

Abhilfe schaffen ETH-Forschende um Professor Martin Fussenegger am Departement für Biosysteme. Die Bioingenieure haben eine Cellulose-Kapsel entwickelt, welche Stierspermien und lebende Zellen enthält. Diese sind mit einem zusätzlichen genetischen Netzwerk ausgestattet, das auf ein bestimmtes Körpersignal reagiert. Einige Hundert dieser winzigen Kapseln werden der Kuh wenige Tage vor dem Eisprung in den Uterus eingepflanzt, wo sie überdauern, bis das Tier empfängnisbereit ist.

Einfach und präzis befruchtet
Bekommt die Kuh einen Eisprung, steigt der Spiegel des Luteinisierenden Hormons (LH) im Blut innerhalb weniger Stunden rasch an und sinkt danach genauso schnell wieder ab. Auf diesen abrupten Hormonanstieg reagiert die neue Kapsel der ETH-Forschenden. In den Kapseln befinden sich Zellen, auf denen LH-empfindliche Sensoren sitzen. Dockt das LH an diese an, löst dies eine Kaskade von Reaktionen aus und am Ende bildet sich das Enzym Cellulase, das die Cellulose-Kapsel von innen her auflöst. Die Samenzellen kommen frei und können zur befruchtungsfähigen Eizelle schwimmen. Diese Befruchtungsmethode ist einfach und präzise. Da die Kapseln sehr klein sind, spürt die Kuh nichts davon. Der Veterinär, der die künstliche Besamung durchführt, kann die Kapseln mit der gleichen Plastikkanüle einführen, mit der er bisher Stierspermien eingebracht hat.

Beim neuen Verfahren reicht es aus, wenn die Halter den Zyklus ihrer Tiere – bei der Kuh sind es 21 Tage – ungefähr kennen. Die Cellulosekapseln halten die Spermien mindestens drei Tage lang frisch. Der Veterinär kann die Kapseln deshalb schon wenige Tage vor dem Eisprung in den Uterus des Tiers einführen. Dadurch verlängert sich das Zeitfenster, in dem eine erfolgreiche künstliche Besamung möglich ist, erheblich.

Befruchtungskapsel ist praxistauglich
Die neue Befruchtungskapsel ist praxistauglich und von den ETH-Forschenden für das Patent angemeldet. „Swissgenetics“ die grösste Vertriebsorganisation von Stiersamen, die mit den Bioingenieuren zusammengearbeitet hat, hat zudem eine exklusive Lizenz für den Tierbereich erworben.

Die ETH-Forscher haben die Befruchtungskapsel nach allen Regeln der Kunst der synthetischen Biologie geplant und umgesetzt. Die Wissenschaftler um Martin Fussenegger haben bereits früher von sich reden gemacht, etwa durch Gelkügelchen, welche Menschen unter die Haut eingesetzt werden können und auf ein bestimmtes Signal hin Insulin freisetzen. Vor einem Jahr haben sie auf ähnliche Weise ein Gennetzwerk gegen Gicht entwickelt.

Kapsel nicht nur für die Kuh
Die Kapsel ist zurzeit auf den Hormonhaushalt und den Organismus einer Kuh zugeschnitten. Die Forschenden müssten jedoch nur einzelne Komponenten des genetischen Netzwerks sowie die Art der Zellen verändern, um diese Befruchtungshilfe auch für andere Säugetiere auszulegen. Auch beim Menschen würde die Methode mit einigen Anpassungen funktionieren. Fussenegger kann sich deshalb vorstellen, dass die Befruchtungskapsel auch in der menschlichen Reproduktionsmedizin eingesetzt wird: «Das könnte Menschen entlasten, die unter starkem psychischen Druck stehen, wenn es mit dem Kinderkriegen auf natürlichem Weg nicht klappt.»
Weitere Informationen:
ETH Zürich
Prof. Martin Fussenegger
Departement für Biosysteme
+41 61 387 31 60
martin.fussenegger@bsse.ethz.ch