Innovation & Future Spermbots: Forscher:innen arbeiten an Fernsteuerung für Spermien

Spermbots: Forscher:innen arbeiten an Fernsteuerung für Spermien

Text: Nantke Garrelts; Illustrationen: Jonas Liebermann

Es begann an dem Tag, an dem Veronika Magdanz sich aufmachte, Bullensperma zu kaufen. In der Hoffnung, Krebstherapien zu verbessern. Und menschlichen Spermien auf diese Weise Beine zu machen.

Auf nach Meißen: In einer Besamungsstation fragte die junge Frau nach der gefrorenen Flüssigkeit, die sonst für die Viehzucht verkauft wird. Ungewöhnliche Kundin hin oder her: „Die waren sehr freundlich dort“, erinnert sich die Mikrobiologin. Mit Bullensperma in tiefgekühlten Röhrchen fuhr sie zurück nach Dresden, taute eine der Portionen auf und begann ihr Experiment:

Unter einem Mikroskop steuerte sie kleine, beschichtete Röhrchen mit einem Magneten so, dass die Spermien direkt hineinschwammen. Die große Frage: Haben sie genügend Kraft, um mit den übergestülpten Röhrchen weiterzuschwimmen?

Antwort: Die Spermien hatten die Kraft. Sie schwammen zwar langsamer als in Freiheit. Aber sie kamen auch mit den Röhrchen voran. Und per Magnetfeld konnte Veronika Magdanz sie lenken, wohin sie wollte. Ein wenig so, als seien die Spermien in winzige Autos geschwommen. Die treiben sie dann mit ihrer eigenen Muskelkraft an, wobei die Fahrtrichtung das Magnetfeld bestimmt.

Ja, das ist ein Symbolbild! Illustration: Jonas Liebermann

Zehn Jahre nach diesem Heureka-Moment forschen Magdanz’ ehemalige Kolleg:innen in Dresden weiter an Spermienrobotern. Mariana Medina-Sánchez ist die Leiterin der Micro- and Nanobiomedical Engineering Group am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW).

Magdanz führte ihr Experiment einst noch in einem DDR-Bau aus den Sechzigern auf dem Kerncampus der TU Dresden durch. Sánchez empfängt mittlerweile in einem weiß glänzenden Neubau. Es ist das Zentrum für biomolekulares Engineering (auch „B Cube“ genannt). In ihrem frisch bezogenen Büro steht kein Buch im Regal, kein Bild hängt an der Wand, der Schreibtisch ist leer. Die Technische Universität hat hier mit EU-Mitteln ein neues Zentrum geschaffen, um Biolog:innen und Ingenieur:innen zusammenzubringen.

0,1 Millimeter Hoffnung

Noch ist das Labor im B Cube leer, aber bald schon könnten sich auch hier Studierende über Mikroskope beugen und auf wimmelnde Spermienzellen schauen. Die sind weniger als 0,1 Millimeter klein – und könnten doch eine große Hoffnung sein. Etwa für Paare mit dem unerfüllten Wunsch, Kinder zu bekommen.

Der sei auch mal der weißen Maus unterstellt, von der die kolumbianische Forscherin ein Foto auf ihrem Smartphone zeigt: Das Labortier liegt auf dem Rücken, sein rasierter, hellrosa farbener Bauch leuchtet neben dem weißen Fell. Um die Maus herum sind drei Kupferdrahtspulen positioniert, mit ihnen steuern die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Spiralen, die befruchtete Eizellen transportieren. Kreuzigungsszene? Wird gleich ein irrer Wissenschaftler mit dem Skalpell zum Schnitt ansetzen?

Nein, in Wirklichkeit stellen die Forschenden sicher, dass der Maus nichts passiert: Ihr Kopf verschwindet unter einem grauen Kasten, der sie vor Strahlung schützt, ihre Hinterpfoten sind mit Klebebändern auf Elektroden geklebt, die ihren Puls messen. Eine grüne Matte unter dem Tier wärmt den Körper. Steuern können die Forschenden die Eizellen, weil sie die mit ihnen verbundenen Spermien per Magnetfeld unter Kontrolle haben.

„Das ist unser größter Meilenstein dieses Jahr“, sagt Medina-Sánchez. Damit die Maus dort so liegen darf, brauchte es Tierwohlanträge und ein eigenes Labor. Drei Jahre dauerte es, bis es so weit war.

Es ist der erste in Deutschland genehmigte Versuch, bei dem ein Mikroroboter eine befruchtete Eizelle in die Gebärmutter eines Säugetiers befördert hat. Späte Folge des Heureka-Moments mit den Bullenspermien vor zehn Jahren.

Normalerweise setzen Fruchtbarkeitsmedizinerinnen die Zellen durch die Vagina oder per Operation mit dünnen Röhren ein, mit der sogenannten Laparoskopie. Das geht aber oft schief, der Stress der Behandlung kann die empfindlichen Zellen beschädigen, sodass die Gebärmutterschleimhaut die befruchteten Eizellen nicht annimmt oder zu einer ektopen Schwangerschaft führen, bei der sich der Embryo außerhalb der Gebärmutter einnistet.

Winzige Packesel

Dieses Experiment ist das neueste in einer Reihe von Entwicklungen, die in den vergangenen zehn Jahren in Dresden, Barcelona und Chemnitz stattfanden. Denn dort forschten Magdanz’ Doktorvater Oliver Schmidt und sie selbst weiter an dem Thema. Der Grund für ihre Faszination: Spermien sind die Ironman-Athleten unter den natürlichen Zellen. Ihre Aufgabe: zur Eizelle gelangen, und zwar möglichst als Erster. Deshalb können sie Hindernisse überwinden, die andere Mikropartikel nicht schaffen.

Seit den ersten Experimenten von Schmidt und Magdanz hat die Forschungsgruppe eine ganze Reihe neuer Entdeckungen gemacht: Möglichkeiten, Spermien gezielt zur Eizelle zu bringen oder den Nichtschwimmern unter den Samenzellen Beine zu machen; Experimente mit Spermien als Boten für Medikamente, etwa bei Gebärmutterkrebs oder gar im Blutstrom.

Dabei lernten sie eine Menge darüber, wie Leben entsteht: „Ich habe festgestellt, dass wir gar nicht so viel darüber wissen, unter welchen Umständen überhaupt eine Befruchtung stattfindet“, sagt Magdanz. Wie viele Spermien braucht es dafür – würde vielleicht sogar ein einziges reichen, oder braucht es den Druck von mehreren?

In endlosen Versuchsreihen fanden die Forschungsgruppen in Dresden, Barcelona und Chemnitz heraus, wie sich Spermien bewegen. „Spermien müssen ohnehin gegen großen Widerstand ankommen, sie schwimmen in der Gebärmutter wie durch Honig“, sagt Medina-Sánchez. Wechselnde Temperaturen, ein sich verändernder pH-Wert, Gegenstrom und Widerstand – Spermien halten viel aus auf dem Weg zu ihrem Ziel. Ein Experiment der Gruppe zeigt, dass Spermien sogar gegen die Blutströmung anschwimmen können. In einem Video zeigt Medina-Sánchez Spermien, die unbeeindruckt durch eine Zelle hindurchschwimmen.

Nach dem ersten Erfolg brauchte es eine bessere, schnittigere Verpackung als die Röhrchen von Magdanz. „Die Spermien schwammen höchstens noch 50 statt 100 Mikrometer pro Sekunde“, sagt Medina-Sánchez. Die Forscher:inneb entwickelten Kappen, die im Gebärmutterhalsschleim besonders schnell sind – ähnlich wie eine aerodynamische Autokarosse oder die Ganzkörperanzüge von Weltklasseschwimmer:innen. „In den stromlinienförmigen Röhrchen waren sie viel schneller, um die 70 Mikrometer pro Sekunde“, sagt die Forscherin. Die Spermien waren sozusagen vom VW Käfer auf einen Maserati umgestiegen.

Boten- und Befruchtungsdienste

Dadurch konnten die Forschenden die Spermien mit weniger Reibungsverlusten steuern – eine wichtige Entwicklung, um sich die Schwimmfähigkeit für den Medikamententransport zunutze zu machen. „Spermienroboter könnten gezielt Medikamente etwa bei Krebs im Bereich der Fortpflanzungsorgane transportieren“, sagt Medina-Sánchez.

Der Vorteil: Der Körper stößt die Zellen nicht ab, sie sterben nach spätestens zwei Tagen von selbst. Ein PhD-Student aus der Dresdner Gruppe entwickelte ein Modell, bei dem ein Spermium in einer magnetischen Mikrostruktur ein Krebsmedikament aufnimmt und direkt zum Tumor bringt. Das spermiengetriebene Rennauto wird damit zum Medizinboten.

Das ist der eine Nutzen der kleinen Schwimmer. Durch all die Experimente mit deren Schwimmfähigkeiten kam aber die Frage auf, ob man den Magnetmechanismus und die optimierten Turbohüllen nicht auch dazu nutzen könnte, Spermien zu beschleunigen, und zwar bei ihrer traditionellen Aufgabe: der Befruchtung.

Die Gruppe fokussierte sich auf zwei Probleme: zu wenige Spermien und solche, die schlecht oder gar nicht schwimmen können. Das sind neben genetischen Defekten die beiden Hauptgründe für unfruchtbare Samenzellen. Studien zeigen, dass in Nordamerika, Europa, Australien und Neuseeland zwischen 1973 und 2011 die durchschnittliche Spermienzahl bei Männern um 60 Prozent fiel.

Weltweit sind etwa elf Prozent der Bevölkerung im zeugungs- und gebärfähigen Alter von Unfruchtbarkeit betroffen. Schätzungen, wie oft das an schlechter Spermienqualität oder niedriger Spermienzahl liegt, schwanken zwischen einem Drittel und der Hälfte der Fälle.

Bei genetischen Fehlern können die Nanoforscherinnen nicht nachhelfen – sehr wohl aber bei der Schwimmfähigkeit der Zellen oder der Zahl, die tatsächlich am Ziel ankommt, wenn wenige Spermien vorhanden sind. Mit spiralförmigen Hüllen kann ein wechselndes Magnetfeld die unbeweglichen Zellen an ihr Ziel bringen, indem es das Spermium rotieren lässt. So wälzt es sich bis zur Eizelle.

In deutschen Fruchtbarkeitskliniken wird in Zukunft aber wohl kein armer Laborant 200 Spermien in Käppchen oder Spiralen fädeln müssen. So viele Spermien kommen nämlich im Durchschnitt bei der Eizelle an. „Diese Zahl ist zu hoch, um praktikabel zu sein“, sagt Reproduktionsmediziner Ulrich A. Knuth. Auch ergäben die natürlichen Selektionsmechanismen des Körpers durchaus Sinn. Durch die lange Reise durch den Schleimfilter der Zervix, die Gebärmutterhöhle und das Labyrinth der Schleimhautfalten im Eileiter würden defekte Spermien vorselektiert. Beim Embryonentransport setzt Knuth auf solides Handwerk: „Es ist nicht zu unterschätzen, wie viel die Handfertigkeit des Implanteurs ausmacht“, sagt er.

Durch das sogenannte „No-Touch-Verfahren“ könnten mit einem Katheter mit hoher Erfolgsquote Embryonen eingesetzt werden. Dann muss man auch nicht mehrere Embryonen einsetzen und Mehrlingsschwangerschaften riskieren. Knuth nennt die Experimente von Medina-Sánchez und ihren Kolleginnen und Kollegen diplomatisch-kritisch einen „interessanten Ansatz“. Einen Nutzen erwartet er noch am ehesten beim Wirkstofftransport.

Durchaus denkbare Anwendung

Dr. Maren Goeckenjan sieht das anders. „Eine konkrete und durchaus denkbare Anwendung könnte der optimierte Transport von frühbefruchteten Eizellen in die Eileiter sein“, sagt die Oberärztin der gynäkologischen Endokrinologie und Reproduktionsmedizin am Universitätsklinikum Dresden. Sie fügt aber auch hinzu: „Im Moment ist an Zulassung noch nicht zu denken, aber die Möglichkeit, Mikrobots, die von Spermien bewegt werden, auch in großen Mengen zu produzieren, ist schon sehr konkret.“ Zunächst sind noch zahlreiche Versuche im Labor nötig. Erst dann könnten die Spermbots im menschlichen Körper eingesetzt werden.

Bis eines der Experimente in ein zugelassenes Produkt oder Patent mündet, ist es noch ein weiter Weg. „Ich glaube, dass am ehesten Anwendungen für den gezielten Transport von Wirkstoffen zugelassen werden“, sagt Medina-Sánchez. Die Forschung in der Fruchtbarkeitsmedizin ist teuer und heikel, vor allem, wenn sie Eizellen beinhaltet.

Bis zum Test am Menschen vergeht meist mehr als ein Jahrzehnt. Die Versuche kosten mehrere Millionen Euro und sind strengen Auflagen unterworfen. Wenn keine öffentlichen Fördergelder fließen, müssen private Firmen in Vorleistung gehen – oder die Forschung endet da, wo sie angefangen hat: im Labor. Dabei haben die Forscherinnen bereits gezeigt, dass mit der richtigen Unterstützung von außen selbst die Kleinsten auch übermächtigen Widerständen trotzen können.

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