Hoden von Säugetieren

Der Säugetierhoden besteht aus zwei Kompartimenten, den Hodenkanälchen, die ca. 90 % im adulten Hoden ausmachen und dem Interstitium mit ca. 10 % (siehe Abb. 1). Die Hodenkanälchenwand besteht aus einer Basalmembran mit darunter liegenden, kontraktilen, peritubulären Zellen. In den Kanälchen werden die Spermien generiert. Das Hoden-Epithel ist ein einzigartiges und äußerst komplexes Gebilde mit Keimzellen und Sertolizellen, die während der Spermatogenese wesentliche strukturelle und morphologische Veränderungen durchlaufen. Das interstitielle Kompartiment enthält die Steroid-produzierenden Leydig-Zellen als 2 somatische, hodenspezifische Zelltypen und  zahlreiche weitere Zelltypen wie Fibroblasten, Immunzellen sowie Blutgefäße. Die Forschung der Gruppe von Prof. Schlatt untersucht die zahlreichen histologischen Aspekten der hodenspezifischen Zellen und bedient sich dabei vielfältiger Hilfsmitttel zur detaillierten histo(patho)logischen, zellulären und molekularen Analyse der Hoden.

Abb. 1: Generelle Übersichtszeichnung, Darstellung der Anatomie des Säugetierhodens und der Zellbiologie.

Testikuläre Stammzellen

Die Spermatogonien befinden sich an der Basalmembran der Hodenkanälchen. Von diesen Spermatogonien hat ein Teil die Funktion von Stammzellen. Im Gegensatz zu anderen adulten Stammzellen im Organismus haben die spermatogonialen Stammzellen einzigartige Eigenschaften. Abstammend von den primordialen Keimzellen und als Bestandteil der Keimbahn sind sie theoretisch unsterblich. Die Spermatogonien geben die Erbinformation einer Art weiter.
Für den Erhalt der männlichen Fertilität ist eine sehr große Anzahl Spermien erforderlich. Zu diesem Zweck muss die DNA-Integrität der Spermatogonien gegen Replikationsfehler und erbgutverändernde Umwelteinflüsse erhalten bleiben. Somit spielen die Spermatogonien eine Schüsselrolle; sie kontrollieren die evolutionären Veränderungen des Genoms.  Die Forschergruppe hat eine Reihe von Methoden entwickelt, um die Teilungsmuster der Spermatogonien im Hoden des Menschen und des Affens sichtbar machen zu können (Abb. 2). Die Gruppe um Prof. Schlatt nutzt diese Methoden, um die Physiologie der Spermatogonien unter normalen und pathologischen Bedingungen während der präpubertären Entwicklung und im Erwachsenen zu untersuchen.

Abb. 2: Abbildung von proliferierenden spermatogonialen Stemmzellen in „whole mounts“ von Makaken-Hoden, visualisiert durch konfokale Mikroskopie (a, b) oder Hellfeldmikroskopie (C).  Zellen in der S-Phase des Zellzyklus wurden mit BrDU markiert.

Bei allen Säugetieren durchlaufen sowohl Typ A als auch B-Spermatogonien mitotische Teilungen, um Keimzellkohorten hervorzubringen, die dann in die Meiose eintreten. Somit bestimmt die Größe der spermatogonialen Population und das Ausmaß der prämeiotischen Teilung die Anzahl von reifen Spermien. Die Gruppe um Prof. Schlatt erforscht die Eigenschaften von spermatogonialen Stammzellen und fokussiert dabei besonders auf die artenspezifischen Unterschiede hinsichtlich der Kinetik. (Abb. 3). Die Gruppe war Vorreiter bei der Beschreibung der spermatogonialen Kinetik in Primaten und hat Modelle für die spermatogoniale Expansion in Affen und Menschen veröffentlicht.

Abb. 3: Schematische Darstellung der männlichen Keimzelldifferenzierung in der Maus, im Rhesusaffen und im Menschen. Spermatogoniale Subtypen:  As Asingle; Apr Apair; Aal Aaligned; I Intermediate; B B-Spermatogonium. Spc Spermatozyte; RS runde permatide; S Spermium

Fehlfunktion von spermatogonialen Stammzellen oder fehlerhafte Stammzellnischen beeinträchtigen den Durchsatz von Stammzellen und können somit verantwortlich sein für ein Ausbleiben der Spermatogenese. Zahlreiche Forschungsaspekte der Gruppe um Prof. Schlatt beschäftigen sich mit Optionen zum besseren Verständnis der spermatogonialen Stammzellfunktion des Primatenhodens mit dem Ziel, diese zu beeinflussen. In vitro und in vivo Methoden werden zur Erforschung der morphogenetischen und regulatorischen Prozesse der Hodenstammzellen angewendet und sind relevant für die klinische Behandlung von infertilen Patienten sowie für die Entwicklung von fertilitätserhaltenden Methoden.

Fertilitätsprotektion bei präpubertären Jungen

Die Überlebensrate von Tumorpatienten steigt stetig in den letzten Jahrzehnten, weshalb die Lebensqualität nach Heilung des Patienten sehr relevant ist. Ein unerwünschter Nebeneffekt von Tumortherapien ist die temporäre oder permanente Infertilität aufgrund des Verlusts der testikulären Stammzellen. Wir und wenige weitere europäische Zentren bieten deshalb an, immatures Hodengewebe als Fertilitätsreserve zu kryokonservieren. Die Gewebe enthalten noch keine reifen Spermien, so dass Methoden entwickelt werden (in vitro Spermatogenese, testikuläres Grafting, Keimzelltransplantation), mit denen sich aus den in den Geweben vorhandenen testikulären Stammzellen Spermien generieren lassen.

 

Entwicklung eines diagnostischen Auswerteprotokolls zur histologischen Evaluierung des Fertilitätspotentials von präpubertär entnommenen Hodenbiospien

Wir haben einen auf immunohistochemischen Färbungen und deren Auswertung beruhenden histologischen Score entwickelt, mit dessen Hilfe Vorhersagen zu zukünftigen Fertilitätsoptionen der eingefrorenen Gewebefragmente gemacht werden können.

 

Entwicklung neuer Verfahren zur Generierung von Spermien aus testikulären Stammzellen

Diese Arbeiten sind Bestandteil des GrowSperm Consortiums (http://www.growsperm.eu). Die Förderung stammt aus einem Marie Skłodowska Curie International Training Network.

Ein Projekt beschäftigt sich mit der Re-organisation testikulärer Tubuli aus Einzelzellsuspensionen von menschlichen adulten Hoden. Diese Arbeiten liefern ein besseres Verständnis der molekularen und zellulären Mechanismen, der Interaktion von Zellen und der Dynamik während der Organogenese testikulärer Tubuli beim Menschen. Ziel ist es, Tubulus-ähnliche Strukturen zu gewinnen und den Einfluß von Kulturbedingungen und Matrixsubstanzen (Matrigel® and collagen scaffolds) zu beschreiben.

Andere Projekte in diesem Forschungsgebiet fokussieren sich auf die Keizelldifferenzierung. Hier kommen die nicht-humanen Tiermodelle zum Einsatz. Tiere unterschiedlichen Alters (neonatal, prepubertal and adult) beider am CeRA vorhandenen Primatenspezies warden verwendet: Marmosetten (Callithrix jacchus) and Makaken (Macaca fascicularis). Ektopisches Grafting auf immundefiziente Nacktmäuse ermöglicht die Induktion der Spermatogenese im Gewebegraft und Untersuchungen zum Einfluß des Empfängertieres (Männlich/weiblich; intakt/kastriert). Wir untersuchen ebenso Langzeitkulturen von Einzellzellen und Gewebefragmenten auf die Keizelldifferenzierung und die Expansion von spermatogonialen Stammzellen aus Affen. Ein Ansatz hier ist der Einsatz testikulärer Organoide und mikrofluider Chip-Kultursysteme.

 

Gonadenschädigung durch Bestrahlung

Die zellulären und molekularen Effekte einer Bestrahlung sind nicht gut untersucht. Hier kommen wieder das präklinische Modell Makake und Xenografting als Strategie zur Vermeidung hoher Tierzahlen zum Einsatz. Die von uns etablierte Strategie, Gewebe in Nacktmäuse zu transplantieren ermöglicht die Untersuchung bestrahlungsinduzierter Effekte auf Transkriptions. Und Proteinebene in Hodengewebegrafts präpubertärer Makaken. Wir können zeigen, dass die Bestrahlung nicht nur Keimzellen, sondern auch auf die Differenzierung somatischer Zellen negative beeinflusst. Darüber hinaus können Migrationsassays den Effekt spezifischer Faktoren der Stammzellnische belegen. Diese Daten helfen, die unerwünschten Nebeneffekte einer Bestrahlung besser verstehen und diese in Zukunft minimieren zu können.

Neue Methoden zur Spermienanalyse

Konventionalle Spermienalytik ermöglicht keine Aussagen zu Fehlern in biochemischen und molekularen Paremetern. In diesem Projekt möchten wir neue Methoden erschließen, um ein besseres Verständnis von funktionellen Veränderungen in Spermien zu erreichen. Raman Mikrospectroskopie ermöglicht die Erfassung der biochemischen Fingerabdrücke individueller Spermien sowie deren Subkompartimente ohne Zerstörung der Strukturen. Multiparametrische Flowcytoemtrie kann simultan mehrere Parameter in individuellen Spermien erfassen. Beide Methoden, allein oder in Kombination, eröffnen völlig neue Konzepte zur Spermienanalyse durch Messung und Korrelation zahlreicher Paremeter.