4-dimensionale Analyse der Chiralitäten und Flagellenbewegungen von Spermatozoen während der Fertilisierung mittels digital-holographischer Mikroskopie

Das Leben beginnt mit der Fusion von Spermien und Eizelle. Millionen von Spermien werden durch die Ejakulation in den Ovidukt entlassen. Die Spermien legen danach innerhalb von 24h einen Weg zur Eizelle zurück, der einer Wanderung von Frankfurt nach Berlin entspricht. Selektionsprozesse entscheiden auf diesem Weg, welche Spermien soweit in die Nähe der Eizelle gelangen, dass diese überhaupt eine Chance haben, sie zu befruchten. Nicht mehr als 10-20 Spermien bleiben am Ende dieses Selektionsprozesses übrig. Wir planen mit Hilfe der digital-holographischen Mikroskopie (DHM) Trajektorien und Wellenbewegungen von Spermien bzw. deren Flagellen zu untersuchen. Die Methode der DHM wurde von uns so weit entwickelt, dass wir als erste Arbeitsgruppe nicht nur ein Kopf-Tracking, sondern die Bewegung des gesamten Spermiums mit Flagellum in Raum und Zeit verfolgen können. Dies mit einer spatiotemporalen Auflösung, die lediglich durch die Kamerageschwindigkeit limitiert wird. Dabei konnten wir zeigen, dass Spermien sowohl im Kopf als auch im Schwanz fest definierte Chiralitäten zeigen, die unabhängig voneinander gesteuert werden. In dem nun beantragten Projekt sollen zu definierten Zeitpunkten der Fertilisierung Schlüsselfunktionen von Spermien mittels DHM untersucht werden. Wir wählen dazu die Zeitpunkte der der frühen Aktivierung, der linearen Motilität, der Kapazitation, der Spermien-Eizellbindung und der Hypermotilität, da diese sich in vitro klar definieren bzw. simulieren lassen. Wir werden dies u.a. mit Hilfe von transgenen Tieren für CatSper durchführen, da dieser Ionenkanal speziesübergreifend von großer Bedeutung für die Befruchtung ist. In weiteren Untersuchungen werden humane, murine, bovine und auch Spermien von Seeigeln zum Einsatz kommen, um die translationale Bedeutung der von uns gemachten Beobachtungen zu beurteilen. Seeigel-Spermien sollen Auskunft über die Bedeutung der Außenfibrillen und der Ringfaserscheide für die Chiralitäten der Kopf- und Schwanzbewegung geben, da sie diese Strukturen im Gegensatz zu Spermien von Vertebraten nicht besitzen. Weiter planen wir mit Hilfe von Oozyten ein in vitro-Modell zum Zeitpunkt kurz vor der Befruchtung zu simulieren. Zudem werden wir mit Hilfe eines synthetischen Peptides aus dem Zona pelluzida Protein 2 (ZP2251-149), die Spermien-Eizellbindung simulieren und zeitgleich die Flagellenbewegungen in 4-Dimensionen analysieren. Mit diesem Projekt soll die Bedeutung der oben erwähnten Chiralitäten von Kopf und Flagellum unter dem Einfluss unterschiedlicher Spermienfunktionen untersucht werden. Wir möchten insbesondere die Hypothese testen, ob sich ändernde Chiralitäten von Kopf und Flagellum wichtig für Steuerung von Spermienfunktionen sind. Wir erwarten neben dem Erkenntnisgewinn zum biologischen Grundverständnis der Spermienbewegung Informationen darüber, welche Faktoren zu Störungen der Spermienbewegung führen können und so über die Selektion von Spermien während der Befruchtung entscheiden.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen