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Montag, 05.03.2018

Unterwegs mit Spermien-Robotern

Mit speziellen Metallhüllen steuern Dresdner Forscher Samenzellen direkt zum Ei. Das könnte zu einer Hilfe bei Unfruchtbarkeit werden.

Von Jana Mundus

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Die Hülle macht‘s: Umgeben von modernsten Materialien werden Spermien zu Transportmitteln.
Die Hülle macht‘s: Umgeben von modernsten Materialien werden Spermien zu Transportmitteln.

© Visualisierung: Mariana Medina-Sanchez/Wiley 2017

  • Die Hülle macht‘s: Umgeben von modernsten Materialien werden Spermien zu Transportmitteln.
    Die Hülle macht‘s: Umgeben von modernsten Materialien werden Spermien zu Transportmitteln.
  • Mariana Medina Sanchez (l.) und Veronika Magdanz steuern die Spermien-Roboter unterm Mikroskop mit Joystick.
    Mariana Medina Sanchez (l.) und Veronika Magdanz steuern die Spermien-Roboter unterm Mikroskop mit Joystick.
  • Ein mit einem Medikament versehenes Spermium dockt direkt am Tumor an.
    Ein mit einem Medikament versehenes Spermium dockt direkt am Tumor an.

Das Leben beginnt mit einem Rendezvous. Mit dem perfekten Moment, in dem eine einzelne Samenzelle zur Eizelle durchdringt und diese befruchtet. Es ist der Ursprung für ein Wunder, das im weiblichen Körper einen kompletten Menschen heranreifen lässt. Doch manchmal wird genau dieses Rendezvous zum Problem. Wenn Paare darauf warten, schwanger zu werden – und nichts passiert. Die Zahl der Betroffenen steigt. Laut aktuellen Schätzungen sind zehn Prozent der Menschen von Unfruchtbarkeit betroffen. Das sind fast so viele wie Diabetes-Kranke. Dresdner Wissenschaftler arbeiten nun an einem Verfahren, das bei Unfruchtbarkeit in Zukunft helfen könnte. Eine ausgeklügelte Technologie macht die Spermien dabei zu kleinsten Mini-Robotern, die direkt zur Eizelle geschickt werden können.

Es ist fast wie in einem Computerspiel. Mit einem kleinen Hebel dirigiert Mariana Medina Sanchez eine kleine Spirale zu ein paar Spermien. Dabei schaut sie durch ein hochmodernes Mikroskop, das Kleinigkeiten sichtbar macht. Die Spirale erinnert entfernt an die Metallfeder in einem Kugelschreiber. Nur ist sie um ein Vielfaches winziger. Sie besteht aus einem Polymer. Dass sie beweglich und steuerbar ist, macht eine magnetische Schicht möglich, mit der sie überzogen ist. Ein Magnetfeld rund um den Objekttisch am Mikroskop versetzt den Winzling in Rotation, wodurch er angetrieben wird. Und es ermöglicht, genau zu bestimmen, wohin die Spirale soll – nämlich direkt zu einer Samenzelle. Sie soll sie einfangen.

Ein paar Augenblicke später ist es geschafft. Das Spermium sitzt in der Spirale fest. Die Taxifahrt beginnt. Mit einigen weiteren Bewegungen an dem kleinen Joystick und dem Verändern des Magnetfelds, wird die Samenzelle zur Eizelle transportiert. Nun wird genau dieser Bereich erwärmt, das Material der Spirale verändert sich leicht, dehnt sich aus und das Spermium kann entwischen – und landet direkt in der Eizelle. Das Rendezvous ist geglückt.

Unterwegs mit Spermien. Am Dresdner Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) wird schon seit einigen Jahren an diesen Mikrotransportmitteln geforscht. Mariana Medina Sanchez leitet eine Gruppe von Wissenschaftlern, die sich mit genau diesem Thema beschäftigt. „Eine der wichtigsten Fragen ist dabei, wie die Mikromotoren angetrieben werden“, erklärt sie. Schon vor Jahren wurde mit chemischen Antriebsmitteln experimentiert. Dabei kommt unter anderem Wasserstoffperoxid zum Einsatz. Keine Idealvariante. Denn diese Chemikalien sind auch in geringen Dosen Gift für die Zellen. Der Transport mittels Spiralen und magnetischem Feld nutzt hingegen die physikalischen Möglichkeiten. Mit Blick auf das Thema Unfruchtbarkeit wäre das vor allem von Vorteil, wenn die Spermien auf dem Weg zur Eizelle zu langsam sind, so Mariana Medina Sanchez. Die Dresdner Forscher entwickelten jedoch noch eine dritte Möglichkeit, wie Spermien transportiert werden könnten. Dabei sorgen die Samenzellen durch ihre Bewegung gleich selbst für den Antrieb.

Möglich machen das sogenannte Microtubes – kleine, zylindrisch geformte Röhrchen. Damit sie entstehen, werden magnetische Stoffe wie Eisen und Nickel mittels Bedampfung dünn auf eine Schicht aufgetragen, die danach wieder entfernt wird. Durch die Spannung in den zurückbleibenden Metallmembranen beginnt sich das Röhrchen zusammenzurollen, ähnlich wie die Blätter mancher Pflanzen.

Unter dem Mikroskop sieht das dann so aus: Ein Spermium schwimmt auf der Seite mit der größeren Öffnung in das Röhrchen hinein, kommt aber auf der anderen nicht wieder hinaus. Also nimmt es das Röhrchen wie einen Anzug um sich herum einfach mit. Dieser Anblick faszinierte auch Veronika Magdanz, als sie ihre Doktorarbeit am IFW schrieb. „Es ist erstaunlich, was für leistungsfähige Transportmittel Spermien sind“, sagt sie. So effektiv, dass sie kleinste Partikel oder eben auch Mikroröhrchen einfach mitnehmen können. Der Antrieb erfolgt durch die natürliche Schwimmbewegung der Samenzelle. Soll ihr Weg aber festgelegt werden, ist weiterhin ein Magnet notwendig. Von außen wird das Spermium in seiner neuen Haut aus Metall damit gelenkt.

In den Mikoröhrchen steckt aber noch mehr Potenzial. Die intelligenten Materialien, aus denen sie gefertigt sind, reagieren auf Reize wie Temperaturunterschiede oder eine Veränderung ihrer Umgebung. Dann wandeln sie ihre Form oder setzen Medikamente frei. Dinge, die sich die Medizin zunutze machen kann. Auch bei Unfruchtbarkeit. Die Wissenschaftler programmieren die Materialien der Röhrchen in diesem Fall auf normale Bedingungen in der Gebärmutter einer Frau. „Reagieren die Materialien auf Veränderungen in der Umgebung, könnten wir so Auffälligkeiten diagnostizieren und Hinweise auf die Quelle von Unfruchtbarkeit im Unterleib einer Frau lokalisieren“, erklärt Veronika Magdanz, die heute Postdoktorandin an der Professur für Angewandte Zoologie der TU Dresden ist. Langfristig könnten Mikromotoren als Helfer bei der Befruchtung eingesetzt werden, indem sie zur Eizelle dirigiert werden. Die Microtubes könnten eine weitere Funktion bekommen und etwa den Angriff des Immunsystems auf die Spermien vermeiden.

Was einfach klingt, könnte noch gut 20 Jahre dauern, bis es im menschlichen Körper angewandt werden darf, schätzt Mariana Medina Sanchez. Alle Versuche fanden bisher in der Petrischale statt. Verwendet wurden dafür Zellen von Rindern. In Deutschland ist die Arbeit mit menschlichen Zellen verboten. Sollte sich das nicht ändern, wären weitere Forschungsarbeiten nur im Ausland möglich. Bevor neue Verfahren und Therapien mit dieser Technologie dann letztlich im Patienten erlaubt wären, würde noch einmal eine lange Zeit vergehen.

Dabei zeigten die Dresdner Wissenschaftler vor Kurzem, dass die Spermien-Roboter auch gegen Krebs helfen könnten. Forscher des IFW versahen die Spermien dafür mit einem Krebsmedikament. Eine Röhrchenhülle mit speziellen Ankern ermöglichte es dem Spermium dann, direkt an einer Krebszelle anzudocken, dort zielgerichtet einzudringen und dabei das Medikament freizusetzen. Innerhalb weniger Tage war der Tumor zerstört. In Zukunft könnte auf diesem Weg gezielter gegen die Krankheit vorgegangen werden. Eventuell mit weniger Medikamenten als bisher. „Wir haben das Medikament mit einem spermagetriebenen Roboter erfolgreich zum Tumor gebracht“, sagt Veronika Magdanz, die an dem Projekt beteiligt war. „Aber natürlich bräuchte es in der Praxis viele Roboter für eine Krebstherapie – wir stehen vor großen Herausforderungen.“

„Unsere bisherige Arbeit ist durchaus erfolgversprechend“, sagt Mariana Medina Sanchez. Für die Anwendung im menschlichen Körper müssten aber noch ein paar andere Probleme gelöst werden. Selbst wenn ferngesteuerte Spermien irgendwann in den Patienten eingesetzt werden könnten, fehlt es bis jetzt noch an technischen Möglichkeiten, deren Reise durch den Körper sichtbar zu machen und zu verfolgen. Nur so können die Spermien später auch zielgerichtet durch den Organismus gesteuert werden. Finden sie letztlich ihr Bestimmungsziel. Steht auch dem Rendezvous am Ende nichts mehr im Weg.

Roboter packt mit an beim Kinderwunsch

Quelle: Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden)

Leser-Kommentare

Insgesamt 1 Kommentar

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  1. Spock

    Ich glaube die 'Natur' hat sich schon was dabei 'gedacht' wenn 'bestimmte' Samenzellen das Ei nicht erreichen, oder? Interessant ist das Antriebssystem des Spermiums aber allemal, vor allem wohl hoch effizient.

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