Zytoplasmatischer Transfer

IVF-Behandlung mit Zytoplasmatransfer

Der Zytoplasmatransfer ist eine Technik zur Verbesserung der Eizellkompetenz. Dabei wird eine Eizelle mit zytoplasmatischen Komponenten einer Spender-Eizelle angereichert, um die metabolische und entwicklungsbiologische Kapazität der Empfänger-Eizelle zu steigern. Der Ansatz beruht auf der Tatsache, dass die Eizellqualität nicht nur von der nukleären DNA, sondern auch vom Zytoplasma abhängt. Dieses enthält Mitochondrien, mRNA, Proteine und regulatorische Faktoren, die die frühe Embryonalentwicklung steuern, bevor das embryonale Genom aktiviert wird. In alternden Eizellen und in Eizellen von Frauen mit wiederholten IVF-Misserfolgen ist diese zytoplasmatische Maschinerie häufig beeinträchtigt, selbst wenn die Chromosomen normal erscheinen (May-Panloup et al., 2016; Fragouli und Wells, 2015).

Mitochondrien spielen in diesem Zusammenhang eine besonders wichtige Rolle. Oozyten enthalten Hunderttausende von Mitochondrien – weit mehr als jeder andere Zelltyp –, da Befruchtung und frühe embryonale Teilung einen extrem hohen Energiebedarf haben. Mit zunehmendem Alter der Frau akkumulieren sich Mutationen in der mitochondrialen DNA, die ATP-Produktion sinkt und reaktive Sauerstoffspezies nehmen zu. Dies führt zu Störungen der Spindelbildung, Chromosomensegregationsfehlern und einer beeinträchtigten Embryonalentwicklung (Bentov und Casper, 2013; May-Panloup et al., 2016). Der Zytoplasmatransfer zielt darauf ab, dieses metabolische Milieu teilweise wiederherzustellen, indem gesunde Mitochondrien und damit verbundene zytoplasmatische Faktoren einer jungen Spender-Oozyte zum Zeitpunkt der ICSI in die Eizelle der Patientin eingebracht werden.

Anders als bei der mitochondrialen Ersatztherapie (MRT) werden bei der Zytoplasmaübertragung nicht die gesamten Zytoplasmastrukturen der Patientin, einschließlich der Mitochondrien, entfernt oder vollständig ersetzt. Stattdessen wird ein Teil des Zytoplasmas der Eizelle der Patientin abgesaugt (entleert) und ein entsprechendes Volumen an Spenderzytoplasma, üblicherweise 10–15¹³T des gesamten Zytoplasmas, zusammen mit dem Spermium injiziert. Dadurch enthält der entstehende Embryo eine Mischung aus Mitochondrien, hauptsächlich von der Patientin und einem kleinen Anteil vom Spender. Ziel ist nicht die Erzeugung eines „Drei-Eltern-Embryos“ im genetischen Sinne, sondern die Verbesserung der zellulären Bioenergetik, damit die Kern-DNA der Patientin während der frühen Entwicklung korrekt exprimiert werden kann (Barritt et al., 2001; Zhang et al., 2017).

Warum wird nur ein so geringer Anteil des Zytoplasmas einer Eizellenspenderin verwendet?

Der Zytoplasmatransfer ist bewusst auf einen kleinen Teil des Spenderzytoplasmas beschränkt, da das Ziel darin besteht, die Eizelle der Patientin zu unterstützen und nicht zu ersetzen.

Die Eizelle ist nicht nur ein Behälter für DNA. Ihr Zytoplasma enthält ein hochorganisiertes, räumlich strukturiertes Netzwerk aus Mitochondrien, mRNA, Ribosomen, Kalziumspeichern, Spindel-Ankerproteinen und Polaritätssignalen, das sich über viele Monate der Oozytenreifung entwickelt hat. Diese Strukturen bestimmen, wo sich die Spindel bildet, wie die ersten mitotischen Teilungen verlaufen und wie die embryonalen Achsen festgelegt werden. Wird zu viel Zytoplasma ausgetauscht, besteht die Gefahr, diese Organisation zu stören. Ein großvolumiger Zytoplasmaaustausch kann die Kalziumoszillationen bei der Befruchtung, die Spindelpositionierung und die Geometrie der frühen Zellteilung beeinträchtigen – allesamt Prozesse, die äußerst empfindlich auf die Zytoplasmaarchitektur reagieren (May-Panloup et al., 2016; Schatten & Sun, 2011). Daher kann ein Zytoplasmatransfer im Vergleich zu einem vollständigen Austausch bei der MRT (Maternal-Retriever Transplantation) vorteilhafter sein, es sei denn, die Patientin ist über 40 Jahre alt und ihre eigene Zytoplasmastruktur gilt als suboptimal.

Auf mitochondrialer Ebene wurde das 10–15%-Fenster gewählt, um eine metabolische Rettung ohne genetische Übernahme zu erreichen. Eine menschliche Eizelle enthält etwa 100.000–300.000 Mitochondrien. Gealterte oder geschädigte Eizellen können Mitochondrien aufweisen, die weniger ATP und mehr reaktive Sauerstoffspezies produzieren, was die Spindelstabilität und die Embryonalentwicklung beeinträchtigt. Die Einführung von 10–15% gesundem Spenderzytoplasma liefert Zehntausende funktionsfähige Mitochondrien, was ausreicht, um die ATP-Produktion deutlich zu steigern und oxidativen Stress im Zytoplasma zu reduzieren (Bentov & Casper, 2013; Fragouli & Wells, 2015).

Wird jedoch zu viel Spenderzytoplasma eingeführt, entsteht eine hohe mitochondriale Heteroplasmie. Das bedeutet, dass zwei konkurrierende Mitochondrienpopulationen in ähnlicher Menge vorhanden sind. In Tiermodellen und Studien an menschlichen Zellen kann eine hohe Heteroplasmie zu einer Segregation der Mitochondrien während früher Zellteilungen, einer unvorhersehbaren Gewebeverteilung und in manchen Fällen im Laufe der Zeit zu einem Verlust der Stoffwechseleffizienz führen, da inkompatible Mitochondrienpopulationen miteinander konkurrieren (Wallace & Chalkia, 2013; Stewart & Chinnery, 2015). Durch die Begrenzung der Spendermitochondrien auf 10–15% tendieren die meisten Embryonen im Laufe der folgenden Zellteilungen auf natürliche Weise wieder zur Dominanz der patienteneigenen Mitochondrien, profitieren aber dennoch vom frühen Stoffwechselschub während der kritischen Furchungs- und Blastozystenstadien.

Deshalb unterscheidet sich der Zytoplasmatransfer grundlegend von der mitochondrialen Ersatztherapie. Bei der mitochondrialen Ersatztherapie werden fast alle Mitochondrien des Patienten gezielt entfernt und durch Spendermitochondrien in einer neuen zytoplasmatischen Umgebung ersetzt, um mitochondrialen Erkrankungen vorzubeugen. Der Zytoplasmatransfer hingegen bewirkt das Gegenteil: Er erhält die zytoplasmatische Identität und die nukleär-zytoplasmatische Kompatibilität des Patienten und stellt der Eizelle gerade so viel gesundes Zellmaterial zur Verfügung, dass sie die frühe Entwicklung durchlaufen kann. Beide Methoden haben ihre Vorteile für unterschiedliche Patientengruppen.

Was der Zytoplasmatransfer leisten kann und was nicht.

Der Zytoplasmatransfer kann bei ausgewählten Patientinnen, deren Eizellen trotz normaler Spermien und angemessener ovarieller Reaktion nicht reif sind, die Befruchtungsrate, die Teilungsdynamik und die Blastozystenbildung verbessern. Frühe klinische Studien zeigten, dass der Zytoplasmatransfer bei Frauen mit wiederholtem IVF-Versagen mit höheren Embryonalentwicklungsraten und Lebendgeburtenraten einherging (Barritt et al., 2001). Neuere Arbeiten belegen, dass die Verbesserung der Mitochondrienfunktion in gealterten oder beeinträchtigten Oozyten die Spindelstabilität, die ATP-Produktion und die Embryonalentwicklung direkt steigern kann (Bentov und Casper, 2013; Fragouli und Wells, 2015). Daher ist der Zytoplasmatransfer besonders relevant für Frauen mit altersbedingter Oozytenfunktionsstörung, unzureichender Embryonalentwicklung trotz chromosomaler Normalität oder wiederholtem Implantationsversagen.

Es ist jedoch ebenso wichtig, die Grenzen des Zytoplasmatransfers zu verstehen. Er korrigiert keine Chromosomenaberrationen in der Eizelle. Weist eine Oozyte eine Non-Disjunction oder schwere DNA-Schäden auf, kann die Zugabe von gesundem Zytoplasma diese nicht beheben. Auch erbliche Mitochondrienerkrankungen werden dadurch nicht beseitigt, da die Mitochondrien des Patienten im Embryo dominant bleiben. Aus diesem Grund wird der Zytoplasmatransfer nicht zur Verhinderung der Vererbung mitochondrialer Erbkrankheiten eingesetzt; hierfür dient der MRT (Mitochondrien-Reverse-Transfer), bei dem die Kern-DNA in eine Spender-Eizelle übertragen wird, die ausschließlich gesunde Mitochondrien enthält (Craven et al., 2010; Hyslop et al., 2016).

Praktisch gesehen ist der Zytoplasmatransfer am besten als metabolische Rettungsstrategie für Eizellen zu verstehen, deren Kern-DNA intakt, deren Zellmaschinerie jedoch beeinträchtigt ist. Er kann die Embryonalentwicklung und das Einnistungspotenzial bei bestimmten Patientinnen verbessern, jedoch die genetische Veranlagung nicht außer Kraft setzen, die Chromosomen nicht verjüngen und keine Spender-Eizellen bei schwerer Aneuploidie oder Ovarialinsuffizienz ersetzen. Bei sachgemäßer Anwendung stellt er eine Alternative zwischen Standard-IVF und vollständiger mitochondrialer Ersatztherapie dar und bietet eine biologisch sinnvolle Möglichkeit, die Kompetenz der Eizellen zu steigern, ohne die genetische Identität der Patientin zu verändern.

Wie funktioniert die zytoplasmatische IVF-Behandlung in der klinischen Praxis?

In modernen Programmen zum Zytoplasmatransfer ist das Verfahren nicht auf eine einzelne Eizelle ausgelegt. Es basiert vielmehr auf Wahrscheinlichkeit, Redundanz und Selektion, da die zugrundeliegende Kerngenetik der Oozyte selbst bei verbesserter Zytoplasmafunktion altersabhängigen biologischen Prozessen unterliegt. Daher streben wir an, mit mindestens fünf reifen (M2-)Oozyten zu arbeiten, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Diese Festlegung ist nicht willkürlich. Befruchtungsraten, Blastozystenbildungsraten und Euploidieraten verhalten sich wie multiplikative Wahrscheinlichkeiten. Stehen nur ein oder zwei Oozyten zur Verfügung, besteht selbst bei einem biologisch erfolgreichen Zytoplasmatransfer eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass kein transferfähiger Embryo entsteht – allein aufgrund statistischer Schwächung (Fragouli & Wells, 2015; Franasiak et al., 2014).

Da viele Patientinnen, die für einen Zytoplasmatransfer infrage kommen, eine geringe ovarielle Reserve aufweisen oder ein fortgeschrittenes reproduktives Alter haben, ist es unter Umständen nicht möglich, in einem einzigen Zyklus fünf M2-Oozyten zu gewinnen. In diesen Fällen ist die Oozytenakkumulation über mehrere Punktionen hinweg ein wesentlicher Bestandteil der Strategie. Jede Punktion erhöht den Pool an M2-Oozyten, die befruchtet und mit Zytoplasma angereichert werden können. Dieses Konzept ist in der IVF bei geringer Eizellreserve und in der Fertilitätsprotektion etabliert, wo die kumulative Oozytenzahl und nicht die Ausbeute in einem einzelnen Zyklus der stärkste Prädiktor für den Erfolg ist (Cobo et al., 2016; Vaiarelli et al., 2020). Beim Zytoplasmatransfer ist die Akkumulation noch wichtiger, da die Technik bei Eizellen angewendet wird, die bereits biologisch benachteiligt sind.

Die Bedeutung der Fünf-Oozyten-Schwelle liegt nicht nur in der Befruchtung, sondern auch in der Embryonalentwicklung und der genetischen Selektion. Selbst in optimierten IVF-Zyklen erreicht nur ein Bruchteil der befruchteten Eizellen das Blastozystenstadium, und nur ein Bruchteil der Blastozysten ist chromosomal unauffällig. Große PGT-A-Datensätze zeigen, dass bei Frauen in den Vierzigern selbst bei guter Embryonalentwicklung nur 10–301 TP3T Blastozysten euploid sind (Franasiak et al., 2014; Tiegs et al., 2020). Der Zytoplasmatransfer kann die Entwicklungskompetenz verbessern, sodass mehr Embryonen das Blastozystenstadium erreichen, ändert aber nicht die Fehlerrate in der Meiose, die zu Aneuploidie führt. Daher ist weiterhin eine ausreichende Anzahl an Embryonen erforderlich, um einen gesunden Embryo zu erhalten.

Deshalb ist der Zytoplasmatransfer am wirksamsten, wenn er in eine Strategie eingebettet ist, die auf die Erzeugung mehrerer Embryonen abzielt, gefolgt von PGT-A-Test Um diejenigen Embryonen zu identifizieren, die tatsächlich chromosomal normal sind, ist eine Zytoplasma-Supplementierung erforderlich. Diese hilft den Embryonen, den metabolischen Stress der frühen Entwicklung zu überstehen und das Blastozystenstadium zu erreichen. Die Präimplantationsdiagnostik mit Aneuploidie (PGT-A) ermöglicht es jedoch, den Embryo auszuwählen, der sowohl eine verbesserte Zytoplasmafunktion als auch eine intakte Kerngenetik aufweist. Ohne diesen abschließenden Selektionsschritt wird der Nutzen des Zytoplasmatransfers durch die hohe Hintergrundrate an Aneuploidie, insbesondere bei älteren Patientinnen, relativiert (Fragouli & Wells, 2015; Tiegs et al., 2020).

Aus Wahrscheinlichkeitssicht bedeutet dies, dass mit zunehmender Anzahl erzeugter Embryonen die Erfolgswahrscheinlichkeit steigt. Jede M2-Oozyte hat eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, befruchtet zu werden, jede befruchtete Eizelle eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, sich zur Blastozyste zu entwickeln, und jede Blastozyste eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, euploid zu sein. Der Zytoplasmatransfer beschleunigt zwar den mittleren Schritt der Blastozystenbildung, beseitigt aber nicht den letzten Engpass: die Chromosomennormalität. Die Ansammlung von Oozyten bis zum M2-Stadium, die Erzeugung mehrerer Embryonen und die anschließende Auswahl des besten Embryos mittels PGT-A machen den Zytoplasmatransfer daher von einer biologisch interessanten Technik zu einer klinisch sinnvollen Behandlungsmethode (Franasiak et al., 2014; Vaiarelli et al., 2020).

In der Praxis bedeutet dies, dass manche Patientinnen zwei, drei oder sogar noch mehr Eizellentnahmen benötigen, bevor die Präimplantationsdiagnostik (PID) und der Embryotransfer durchgeführt werden, damit genügend Embryonen für den Eingriff zur Verfügung stehen. Ziel ist nicht, schnell einen einzelnen Embryo zu gewinnen, sondern eine Gruppe von Embryonen zu erzeugen, aus der ein genetisch gesunder, entwicklungsfähiger Embryo ausgewählt werden kann. Dadurch erhält die Patientin eine realistische Chance auf eine Schwangerschaft anstatt nur eines einzigen Versuchs mit geringen Erfolgsaussichten.