Wissenschaftler haben das bisher beste künstliche Sperma hergestellt und züchten damit Mäuse
Wissenschaftler haben embryonale Stammzellen verwendet, um die effektivsten 'Reagenzglas'-Spermien aller Zeiten zu züchten. Sie haben gezeigt, wie sie zur Befruchtung von Mauseiern und zur Erzeugung gesunder, fruchtbarer Nachkommen verwendet werden können.
Die Zellen erfüllen als weltweit erste eine Reihe von Kriterien, die von drei Fruchtbarkeitsforschern im Jahr 2014 als „Goldstandard“ für künstliche Spermien festgelegt wurden. «Die Ergebnisse dieses Papiers sind sehr bemerkenswert», sagte John Schimenti von der Cornell University. Einer der Forscher, die den Goldstandard definiert haben, sagte New Scientist. «Mir ist nicht bekannt, dass eine andere Gruppe so weit fortgeschritten ist.»
Das Team der Nanjing Medical University in China hat keine Stammzellen verwendet, um echte, richtige Spermien zu erzeugen, aber es ist ihnen gelungen, künstliche Spermatiden zu erzeugen, die unreife Versionen von Spermien sind, die noch keinen Schwanz haben. Ohne Schwänze können diese Spermatiden nicht schwimmen und werden stattdessen über IVF in ein Mausei injiziert.
Um den Goldstandard für künstliche Spermien zu erreichen, mussten die Forscher nachweisen, dass die Zellen in verschiedenen Wachstumsstadien eine Reihe von entscheidenden Merkmalen beibehielten, beispielsweise die richtige Anzahl von Chromosomen und den richtigen Prozentsatz an Spender-DNA. Und das ist keine leichte Aufgabe, da jeder andere Versuch, alle Schlüsselstadien der Geschlechtszellteilung angemessen zu kontrollieren, fehlgeschlagen ist.
«Bislang haben Forscher Mühe gehabt, zu beweisen, dass sie die Zellen durch einen wichtigen, aber komplizierten Teilungsprozess getrieben haben, bei dem nur die Hälfte der Chromosomen des Vaters in den Zellen verbleibt», berichtet Andy Coghlan für New Scientist.
Das Team hat also nicht nur den Zellteilungsprozess gemeistert, sondern auch gesunde Nachkommen hervorgebracht - zwei Faktoren, die ihnen geholfen haben, den schwer fassbaren Goldstandard zu erfüllen.
«Wir glauben, dass unsere Arbeit die erste ist, die alle Anforderungen für eine erfolgreiche Meiose überwacht und überprüft», sagte einer der Teammitglieder, Jiahao Sha.
Wie haben sie es gemacht? Die Forscher nahmen embryonale Stammzellen von männlichen Mäusen und setzten sie Chemikalien aus, die als Zytokine bezeichnet werden und die ihre Umwandlung in Keimzellen auslösten - eine Art von Zelle, aus der Geschlechtszellen (Eier oder Spermien) entstehen. Während die Zellen differenzierten, wurden sie neben hodenähnliches Gewebe gelegt und dem männlichen Sexualhormon Testosteron ausgesetzt, um sie zu einer Spermatidenform zu überreden.
Die Technik wurde bisher nur an Mäusen getestet, daher wissen wir nicht, ob sie bei Menschen mit Fruchtbarkeitsproblemen funktioniert. Die Hoffnung ist jedoch, dass Wissenschaftler eines Tages Zellen aus einem unfruchtbaren Menschen - wie Haut- oder Wangenzellen - in einen embryonalen stammzellenähnlichen Zustand zurückversetzen und diese dann in künstliche Spermatiden für die IVF umwandeln können.
Und das ist keine so verrückte Aussage, wie Akshat Rathi bei Quartz berichtet: «Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Hautzellen in pluripotente Stammzellen umgewandelt werden können, die embryonalen Stammzellen entsprechen. Diese pluripotenten Stammzellen wurden sogar in Vorläufer von Spermien und Eizellen umgewandelt. »
Obwohl dies theoretisch funktionieren könnte, bedeutet die ethische Frage, dass wir noch weit davon entfernt sind, die Technik tatsächlich zur Erschaffung des Menschen einzusetzen.
«Wie können wir feststellen, ob Spermatiden, die in einem Labor hergestellt wurden, wirklich von der gleichen hohen Qualität sind wie die, die durch natürliche Selektion im Hoden hergestellt und getestet wurden?» Der Biologe Peter Donovan von der University of California, Irvine, der nicht an der Studie beteiligt war, wies auf The Verge.
Genauso wie die Geburt von Babys aus gentechnisch veränderten Embryonen ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Umgehung der natürlichen Ordnung von Dingen durch Designerbabys aufwirft, müssten wir das Problem in den Griff bekommen, ob es sich um künstliche Spermien handelt oder nicht Von Natur aus in irgendeiner Weise benachteiligt, und das ist keine einfache Frage zu beantworten.
Da jedoch Forscher in Frankreich und Japan Sha und seinem Team im Wettlauf um künstliches menschliches Sperma auf den Fersen sind, müssen wir dies eher früher als später herausfinden.
Die Ergebnisse wurden in Cell Stem Cell veröffentlicht.
Künstliches menschliches Leben könnte bald nach dem Durchbruch des Embryos im Labor gezüchtet werden
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Ein künstliches menschliches Leben könnte bald im Labor von Grund auf neu entstehen, nachdem die Wissenschaftler erfolgreich einen Säugetierembryo geschaffen hatten, bei dem nur Stammzellen verwendet wurden.
Die Universität Cambridge mischte zwei Arten von Mausstammzellen und platzierte sie auf einem 3D-Gerüst. Nach vier Tagen Wachstum in einem Tank mit Chemikalien, der die Bedingungen im Mutterleib nachahmt, bildeten die Zellen die Struktur eines lebenden Mausembryos.
Der Durchbruch wurde als „Meisterwerk“ des Bioengineerings beschrieben, das es Wissenschaftlern schließlich ermöglichen könnte, künstliche menschliche Embryonen im Labor zu züchten, ohne dass ein Sperma oder eine Eizelle benötigt werden.
Das Züchten von Embryonen würde den Forschern helfen, die frühen Stadien des menschlichen Lebens zu untersuchen, um zu verstehen, warum so viele Schwangerschaften scheitern, wird sich jedoch wahrscheinlich als umstritten erweisen und ethische Fragen darüber aufwerfen, was menschliches Leben ausmacht.
Gegenwärtig können Wissenschaftler mit Embryonenresten aus IVF-Behandlungen experimentieren, aber sie sind Mangelware und müssen nach 14 Tagen vernichtet werden. Wissenschaftler sagen, dass die Möglichkeit, eine unbegrenzte Anzahl künstlicher Embryonen im Labor herzustellen, die Forschung beschleunigen und möglicherweise einige der ethischen Grenzen aufheben könnte.
"Wir denken, dass es möglich sein wird, viele der Entwicklungsereignisse, die vor 14 Tagen bei Verwendung menschlicher Stammzellen eintraten, mit einem ähnlichen Ansatz wie bei Verwendung von Mausstammzellen nachzuahmen", sagte Professorin Magdalena Zernicka-Goetz von der Abteilung für Physiologie, Entwicklung und Neurowissenschaften in Cambridge, die die Forschung leiteten.
«Wir sind sehr optimistisch, dass wir auf diese Weise wichtige Ereignisse in dieser kritischen Phase der menschlichen Entwicklung untersuchen können, ohne tatsächlich an (IVF-) Embryonen arbeiten zu müssen. Wenn wir wissen, wie die Entwicklung normalerweise abläuft, können wir verstehen, warum sie so oft schief geht. »
Die Embryonen wurden aus gentechnisch veränderten Stammzellen zusammen mit extraembryonalen Trophoblastenstammzellen (TSCs) hergestellt, die in einer normalen Schwangerschaft die Plazenta bilden.
Frühere Versuche, Embryonen mit nur einer Art von Stammzellen zu züchten, blieben erfolglos, da sich die Zellen nicht in der richtigen Position ansammelten.
Wissenschaftler stellten jedoch fest, dass beim Hinzufügen der zweiten „plazentaren“ Stammzellen zwei Typen miteinander sprachen und sich gegenseitig sagten, wohin sie gehen sollten.
Zusammen verschmolzen sie schließlich zu einer embryonalen Struktur mit zwei unterschiedlichen Zellhaufen an jedem Ende und einem Hohlraum in der Mitte, in dem sich der Embryo weiterentwickeln würde. Der Embryo würde nicht zu einer Maus heranwachsen, weil ihm die Stammzellen fehlen, aus denen ein Dottersack besteht.
Großbritannien ist derzeit weltweit führend in der Fruchtbarkeitsforschung. Im vergangenen Jahr wurde einer Gruppe am Francis Crick Institute die Erlaubnis erteilt, menschliche Embryonen genetisch zu verändern. Zum ersten Mal in der Welt wurde ein solches Verfahren von den Aufsichtsbehörden genehmigt.
Diese Arbeit wirft jedoch wichtige ethische Fragen zur Heiligkeit des menschlichen Lebens auf und ob es überhaupt manipuliert oder im Labor erstellt werden sollte.
Kritiker warnen davor, dass die Möglichkeit, Embryonen für die Wissenschaft zu züchten, Designerbabys und gentechnisch veränderten Menschen die Tür öffnet.
Dr. David King, Direktor der Überwachungsgruppe Human Genetics Alert, sagte: «Was mich an der Möglichkeit künstlicher Embryonen beunruhigt, ist, dass dies ein Weg sein kann, genetisch veränderte oder sogar geklonte Babys zu schaffen.
«Solange es, wie wir beim mitochondrialen Transfer gesehen haben, kein durchsetzbares globales Verbot dieser Möglichkeiten gibt, läuft diese Art der Forschung Gefahr, die wissenschaftlichen Grundlagen für Unternehmer zu schaffen, die die Technologien in Ländern ohne Regulierung einsetzen werden.»
Die Wissenschaftler müssten die Genehmigung der Behörde für menschliche Fruchtbarkeit und Embryologie (HFEA) einholen, bevor sie versuchen, mit dieser Technik menschliche Embryonen zu erzeugen, und Experten forderten einen „internationalen Dialog“, bevor sie fortfahren.
Prof. James Adjaye, Lehrstuhl für Stammzellenforschung und Regenerative Medizin an der Heinrich-Heine-Universität in Deutschland, sagte: „Eine Regulierungsbehörde wird letztendlich darüber entscheiden, ob menschliche Stammzellenembryonen erzeugt werden können und wie lange sie in der Petrischale verbleiben können weiterentwickeln.
"Natürlich sollte es einen internationalen Dialog über die Regulierung solcher Experimente geben."
Die Studie wurde jedoch von der wissenschaftlichen Gemeinschaft begrüßt, die sagte, es sei ein bedeutender Durchbruch.
Dr. Dusko Ilic, Leser für Stammzellforschung am King's College London, sagte, die Forschung sei ein "Meisterwerk" bei der Schaffung der frühesten Lebensschritte in einem Labor.
„Dieser Bericht ist bedeutend. Die Gruppe aus Cambridge stellt die Embryonen de novo aus zwei verschiedenen Zelltypen her, mischt sie in einem bestimmten Verhältnis und lässt sie den Embryo zusammensetzen. Das ist Wissenschaft von ihrer besten Seite. “
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht und vom Wellcome Trust und dem European Research Council finanziert.
Künstliche Samenzellen gewachsen im Labor
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Höhepunkte
- Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Stefan Schlatt von der Universität Münster in Deutschland behauptet, Mäusesamen mit wenigen Keimzellen in einer Laborschale gezüchtet zu haben. Dies sind die Zellen in den Hoden, die für die Samenproduktion verantwortlich sind. Es kann bald pflastern
Wissenschaftler haben zum ersten Mal Mäusesperma in einem Labor gezüchtet. Sie behaupten, ein großer Durchbruch könnte bald den Weg für die Produktion von künstlichem menschlichem Sperma ebnen, das unfruchtbaren Männern helfen könnte, ihre eigenen Kinder zu zeugen.
Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Stefan Schlatt von der Universität Münster in Deutschland behauptet, Mäusesamen mit wenigen Keimzellen in einer Laborschale gezüchtet zu haben. Dies sind die Zellen in den Hoden, die für die Samenproduktion verantwortlich sind.
Tatsächlich bauten die Wissenschaftler das Sperma an, indem sie die Keimzellen mit einer speziellen Verbindung, Agar-Gelee, umhüllten, um eine Umgebung zu schaffen, die derjenigen in Hoden ähnelt.
Mahmoud Huleihel, ein Teammitglied der israelischen Ben Gurion-Universität in Beerscheba, sagte: «Wir konnten lebensfähiges Sperma produzieren, das zur Herstellung von Babymäusen hätte verwendet werden können. Das Sperma sah gesund aus und war genetisch nicht geschädigt.
«Ich glaube, dass es irgendwann möglich sein wird, menschliches männliches Sperma routinemäßig nach Maß zu züchten, indem man Gewebe mit Keimzellen aus dem Hoden eines Mannes entnimmt und die Spermienproduktion im Labor anregt.»
Nun haben die Wissenschaftler, deren Ergebnisse in der neuesten Ausgabe des "Asian Journal of Andrology" veröffentlicht wurden, Experimente begonnen, von denen sie behaupten, dass sie zum "Heiligen Gral" führen würden - menschliches Sperma, das außerhalb des Körpers eines Mannes gewachsen ist.
«Wir haben bereits die gleichen Tests wie bei Mäusen im Labor mit menschlichen Zellen durchgeführt, aber noch keinen Erfolg gehabt. Wir sind zuversichtlich, dass dies bei Säugetieren wie Mäusen auch beim Menschen möglich ist.
«Wir experimentieren mit verschiedenen Wirkstoffen, um die Keimzellen zum Sperma wachsen zu lassen. Und wir glauben, dass es möglich sein wird. Und hoffentlich bald », sagte Prof. Huleihel.
Experten haben den Durchbruch begrüßt.
Stephen Gordon, ein führender männlicher Unfruchtbarkeitsberater, wurde von The Daily Telegraph mit den Worten zitiert: „Dies ist eine erstaunliche Entwicklung, die die Fruchtbarkeitsbehandlung revolutionieren und jedem Mann ermöglichen könnte, ein leiblicher Vater zu sein.
«Unfruchtbare Männer wollen natürlich der Vater ihres Kindes sein, müssen aber zur Zeit akzeptieren, dass das nicht passieren kann. Mit der Mausentdeckung könnte das nun eine Möglichkeit sein. »
Professor Richard Sharpe, einer der besten Fruchtbarkeitswissenschaftler Großbritanniens an der Universität Edinburgh, der an dem Projekt arbeiten will, fügte hinzu: «Dies ist ein bedeutender Schritt vorwärts, um menschliches Sperma herzustellen.»
Künstliche Spermien und Gebärmutter bieten neue Fortpflanzungsmöglichkeiten
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8. Dezember 2017
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Louise Brown, das weltweit erste „Reagenzglasbaby“, wurde vor 40 Jahren gezeugt, als Patrick Steptoe und Robert Edwards das Ei ihrer Mutter mit dem Sperma ihres Vaters in einer Laborschale befruchteten. Das von ihnen gegründete Feld der In-vitro-Fertilisation hat es Millionen von Menschen weltweit ermöglicht, Unfruchtbarkeit zu überwinden und gesunde Babys zu bekommen.
Die IVF hat sich seit 1978 erheblich verbessert - zum Beispiel durch eine Technologie, die Sperma direkt in die Eizelle injiziert -, aber einige Formen der Unfruchtbarkeit können nicht behandelt werden. Ein Paar, bei dem der Mann kein Sperma produziert oder die Frau keine Eier hat, kann kein Baby ohne Spender bekommen.
Jetzt weist die Wissenschaft den Weg zu radikaleren Behandlungen für Fälle von Unfruchtbarkeit, bei denen Spermien oder Eizellen fehlen oder deren Qualität für die heutigen IVF-Techniken zu niedrig ist. Experimente mit Mäusen zeigen, dass mit der Stammzellentechnologie synthetische Spermien und Eizellen erzeugt werden können.
Der Weg, um Männern und Frauen, die nicht von IVF profitieren können, die Möglichkeit zu geben, Kinder zu bekommen, wird lang und schwierig sein, aber die Mausstudien legen nahe, dass dies irgendwann möglich sein wird.
Die erste erfolgreiche Erzeugung von funktionsfähigem Maussperma im Labor wurde im vergangenen Jahr vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemeldet. Die Forscher wandelten embryonale Stammzellen, die zu jeder Art von Gewebe werden können, in unreife Samenzellen um, die als Spermatiden bezeichnet werden. Diese wurden in Mauseier injiziert, die erfolgreich befruchtet wurden. Die resultierenden Embryonen, die weiblichen Mäusen implantiert wurden, entwickelten sich zu gesunden Welpen.
Das Experiment zeigte, dass Meiose, der spezielle Prozess der Zellteilung und genetischen Umlagerung, der zur Bildung von Keimzellen (Spermien und Eier) erforderlich ist, im Labor erreicht werden kann, indem Stammzellen mit einem Cocktail aus Chemikalien und Hormonen in Gegenwart von Hodengewebe behandelt werden.
Nachdem gezeigt wurde, dass der Prozess mit embryonalen Stammzellen funktioniert, besteht der nächste Schritt darin, adulte Zellen in „induzierte pluripotente Stammzellen“ (iPSCs) umzuwandeln, die dann in Sperma umgewandelt werden können. Die Forscher müssen das Verfahren bei Tieren, einschließlich Affen, weiterentwickeln, bevor sie daran denken, es bei Männern anzuwenden.
Ein ähnlicher Erfolg mit Eiern aus synthetischen Mäusen wurde später im Jahr 2016 von der Kyushu-Universität in Fukuoka gemeldet. Die japanischen Wissenschaftler wandelten Hautzellen von Mäusen in iPSCs und dann in Eier um - wiederum unter Verwendung eines chemischen Cocktails in Gegenwart von Eierstockgewebe.
Einige der synthetischen Mauseier waren auch fruchtbar. Wenn ihnen Sperma injiziert wurde, produzierten sie Embryonen, die zu gesunden Mäusewelpen heranwuchsen.
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Wir haben Leser, Forscher und FT-Journalisten gebeten, Ideen einzureichen, die das Potenzial haben, die Welt zu verändern. Eine Jury wählte die 50 Ideen aus, die es wert sind, genauer betrachtet zu werden. Die erste Tranche von 10 Ideen handelt von der Bewältigung der Herausforderungen einer wachsenden Weltbevölkerung. Die nächsten 10 Ideen, die sich mit Lösungen für den wachsenden Energie- und Ressourcenbedarf befassen, werden am 8. Januar 2018 veröffentlicht.
Natürlich geht es bei einer erfolgreichen Geburt nicht nur um die Empfängnis. Viele Schwangerschaften scheitern durch eine Fehlgeburt oder weil das Baby zu früh geboren wurde, um zu überleben. Die Forschung beginnt, die biochemischen Ursachen für wiederkehrende Fehlgeburten zu identifizieren. In diesem Jahr haben US-amerikanische Kinderärzte einen künstlichen Mutterleib nachgewiesen, der extrem Frühgeborene ernähren und die Überlebenschancen von bereits 23 Wochen alten Säuglingen erhöhen kann.
Mit diesem System können sich die Organe - und insbesondere die Lunge - natürlicher entwickeln als mit herkömmlichen Inkubatoren. Ultra-vorzeitige Lämmer (oft als medizinisches Modell für menschliche Föten verwendet) wuchsen im neuesten Prototyp des Kinderkrankenhauses in Philadelphia vier Wochen lang gesund.
Die künstliche Gebärmutter ist ein mit Flüssigkeit gefüllter Biobeutel aus Kunststoff, der Fruchtwasser imitiert und den der Fötus wie in einer Gebärmutter „atmet“. Das fetale Herz pumpt Blut durch die Nabelschnur, die mit einer künstlichen Plazenta verbunden ist, wo es über einen Gasaustausch mit Sauerstoff versorgt wird.
Das Philadelphia-System hat sich in den letzten drei Jahren in vier Phasen entwickelt. Das Team geht davon aus, dass eine für menschliche Babys angepasste Version, die nach der 22. bis 26. Schwangerschaftswoche geboren wurde, innerhalb von fünf Jahren für klinische Studien bereit sein könnte. Innerhalb von 10 Jahren könnten extrem frühgeborene Säuglinge routinemäßig für etwa einen Monat in eine künstliche Gebärmutter gelegt und dann nach 28 Wochen in herkömmliche Inkubatoren überführt werden.
Einen Fötus von der Empfängnis in einem synthetischen Mutterleib zu züchten, ist immer noch Science-Fiction. Darstellungen künstlicher Gebärmutter sind reichlich vorhanden, vor allem in Aldous Huxleys „Brave New World“ (Schöne neue Welt). Sie sind normalerweise mit Dystopien verbunden. In der Realität könnten solche Techniken bei vernünftiger Anwendung unter gut regulierten Bedingungen die Aussichten von Babys verändern, die nahe an den Grenzen der Lebensfähigkeit geboren werden.
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