Welche Faktoren Einfluss auf die Entwicklung des Embryos haben

Die Verschmelzung von Samen- und Eizelle ist der erste Schritt in einem langen Prozess, bevor ein vollständig entwickelter Mensch das Licht der Welt erblickt. Die Befruchtung der Eizelle läutet nur den Beginn ein. Bis sich daraus ein Embryo entwickelt, der die neun Monate der Schwangerschaft übersteht und gesund geboren wird, müssen mehrere Schritte durchlaufen werden. Aber was passiert genau dabei und welche Faktoren wirken sich auf die Entwicklung des Embryos aus?

Das Wunder der Lebens

Innerhalb von 24 Stunden nach der Befruchtung beginnt die Eizelle, sich rasch in viele Zellen zu teilen. Es verbleibt etwa drei Tage nach der Empfängnis im Eileiter. Dann teilt sich das befruchtete Ei (jetzt Blastozyten genannt) weiter, während es langsam durch den Eileiter in die Gebärmutter wandert. Dort angekommen, besteht seine nächste Aufgabe darin, sich an der Gebärmutterschleimhaut anzuheften. Dieser Vorgang nennt sich Implantation. Vor der Implantation bricht der Blastozyt jedoch aus seiner Schutzhülle. Wenn die Blastozyten mit dem Endometrium in Kontakt kommen, tauschen die beiden Hormone aus, um die Anheftung der Blastozyten zu unterstützen.

Einige Frauen bemerken Schmierblutungen (leichte Blutungen) während der ein oder zwei Tage, an denen die Implantation stattfindet. An diesem Punkt wird das Endometrium dicker und der Gebärmutterhals wird durch einen Schleimpfropfen verschlossen. Innerhalb von drei Wochen bilden die Blastozyten schließlich ein Kügelchen, einen Embryo. Zu diesem Zeitpunkt haben sich die ersten Nervenzellen gebildet. Ihr sich entwickelnder Fötus hat in den ersten Wochen der Schwangerschaft bereits einige Namensänderungen durchgemacht. Im Allgemeinen wird es von der Empfängnis bis zur achten Entwicklungswoche als Embryo bezeichnet. Nach der achten Woche wird es bis zu seiner Geburt als Fötus bezeichnet.

Warum viele Embryonen sich nicht richtig entwickeln

Beim Menschen ist eine befruchtete Eizelle keine Garantie für den Fortpflanzungserfolg. Die meisten Embryonen hören auf, sich zu entwickeln und sterben innerhalb von Tagen nach der Befruchtung, normalerweise weil sie eine abnormale Anzahl von Chromosomen haben. Forscher des Vagelos College of Physicians and Surgeons der Columbia University haben herausgefunden, dass die meisten dieser Fehler auf spontane Fehler bei der DNA-Replikation in der frühesten Phase der Zellteilung zurückzuführen sind. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke in die grundlegende Biologie der menschlichen Fortpflanzung und könnten langfristig zu Verbesserungen der Erfolgsrate der In-vitro-Fertilisation (IVF) führen. Spontane DNA-Fehler können bereits im ersten Zyklus der Zellteilung bei menschlichen Embryonen auftreten, fanden die Forscher heraus, sowie bei nachfolgenden Zellteilungen.

Wenn zu viele Zellen im frühen Embryo von Chromosomenanomalien betroffen sind, kann sich der Embryo nicht weiterentwickeln. Diese Ineffizienz der menschlichen Entwicklung ist ein Hindernis für erfolgreiche Fruchtbarkeitsbehandlungen. Viele Frauen, die sich einer Fruchtbarkeitsbehandlung unterziehen, benötigen mehrere IVF-Zyklen, um schwanger zu werden, und einige werden überhaupt nicht schwanger. Die Forscher planen zusätzliche Studien, die sich mit DNA-Schäden während der Replikation befassen, in der Hoffnung, normale und krankheitsverursachende Variationen in der menschlichen Keimbahn zu verstehen. Langfristig können diese Studien zu Methoden führen, um das Risiko von genetischen Anomalien und Embryoabrieb für Patienten, die sich einer IVF unterziehen, zu verringern.

Welche Rolle Gene spielen

Wissenschaftler befassen sich seit eh damit, welche Faktoren bei der Entwicklung des Embryos involviert sind. Eine Studie etwa identifizierte ein Gen, das eine wichtige Rolle bei einem biologischen Weg spielt, der an der Embryonalentwicklung beteiligt ist. Die Auswirkungen des Gens auf zellulärer Ebene könnten erklären, warum einige Babys mit körperlichen Anomalien geboren werden und warum manche Erwachsene Krankheiten wie Krebs entwickeln.

Menschliche Embryonen entwickeln sich durch zahlreiche und komplexe zelluläre Prozesse. Als „Signalwege“ bekannte chemische Reaktionen aktivieren Moleküle in einer Zelle, um ihre Funktionen zu steuern. Im Rahmen ihrer Untersuchung wollten die Forscher den sogenannten Hedgehog-Signalweg besser verstehen, der das Wachstum des menschlichen Embryos reguliert, aber auch im Erwachsenenalter aktiv ist. Sie entdeckten, dass ein Gen, Cnpy4, die Fähigkeit einer Zelle beeinflussen kann, den Hedgehog-Signalweg auszuführen.

Die Forscher beobachteten, dass Embryonen von Labormäusen mit einer Mutation im Cnpy4-Gen mit Polydaktylie geboren wurden, einem Geburtsfehler mit zusätzlichen Fingern oder Zehen.  Frühere Studien haben gezeigt, dass Veränderungen des Hedgehog-Signalwegs diese angeborenen Missbildungen verursachen können. Die Experten schlussfolgern daraus, dass die Entwicklung von Medikamenten, die die Funktion des Cnpy4-Gens beeinflussen, potenzielle neue Behandlungsoptionen für Krankheiten, einschließlich Krebs, bieten könnte.

Das Team entdeckte, dass das Cnpy4-Gen die Lipidspiegel auf der Zellmembran oder dem Bereich beeinflusst, der das Innere der Zelle von ihrer äußeren Umgebung trennt. Die Veränderungen der Lipid wirken sich auf ein wichtiges Protein namens Smoothened aus, das ein wichtiger Bestandteil des Hedgehog-Signalwegs ist. Mäuse, denen Cnpy4 fehlte, hatten erhöhte Spiegel an zugänglichem Cholesterin auf ihren Zellmembranen, was dazu führte, dass Smoothened stärker signalisierte. Dies führte zu einer Hyperaktivität des Signalwegs und zur unkontrollierten Erzeugung neuer Zellen.

Der Einfluss von Nikotin auf die Entwicklung des Embryos

Mütterliches Rauchen während der Schwangerschaft ist ein etablierter Risikofaktor für Geburtsfehler wie Fehlgeburten, Wachstumseinschränkungen und Frühgeburten. Es ist eng mit langfristigen unerwünschten neurologischen, kardiovaskulären, respiratorischen, endokrinen und metabolischen Folgen bei den Nachkommen verbunden. Rauchen in der Zeit unmittelbar vor und nach der Empfängnis führt auch zu kleineren Föten zum Zeitpunkt der 20-wöchigen Ultraschalluntersuchung und einem niedrigeren Geburtsgewicht.

Eine Studie, die in Human Reproduction, einer der weltweit führenden Fachzeitschriften für Reproduktionsmedizin, veröffentlicht wurde, untersuchte 689 Frauen, die jeweils mit einem Kind schwanger waren, zwischen 2010 und 2018. Die Forscher fanden heraus, dass sich die Embryonalentwicklung in der zehnten Schwangerschaftswoche um fast einen Tag verzögerte bei Frauen, die täglich zehn oder mehr Zigaretten rauchten, im Vergleich zu Nichtraucherinnen, und um 1,6 Tage bei Raucherinnen, die mittels In-vitro-Fertilisation (IVF) und intrazytoplasmatischer Spermieninjektion (ICSI) schwanger wurden. Sie stellten zudem fest, dass Embryonen ihre Entwicklung im Laufe der Schwangerschaft nicht „aufholen“ konnten und eher klein für das Gestationsalter und mit einem um 93 Gramm niedrigeren mittleren (durchschnittlichen) Geburtsgewicht zur Welt kamen als Babys, die von Nichtraucherinnen geboren wurden.

Laut den Forschern scheint der Einfluss des perikonzeptionellen mütterlichen Rauchens auf die Verzögerung der Embryonalentwicklung im zweiten Schwangerschaftstrimester eine größere Wirkung zu haben als bei der Geburt. Die Ergebnisse dieser Studie betonen, wie wichtig es ist, bereits vor der Empfängnis mit dem Rauchen aufzuhören, denn es konnte gezeigt werden: Je mehr Zigaretten eine Frau rauchte, desto größer war die Entwicklungsverzögerung.

Zahlreiche Forschungsarbeiten haben die negativen Wirkungen von Nikotin bei Tieren, hauptsächlich in Nagetiermodellen, aufgeklärt. Tierversuche haben gezeigt, dass eine Nikotinexposition während der Schwangerschaft schädliche Auswirkungen auf die fötale Entwicklung hat. Neuere Forschungen verwendeten Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die Auswirkungen einer 21-tägigen Nikotin-Exposition auf die Transkriptome von insgesamt 12.500 Zellen zu analysieren, die aus hESC-abgeleiteten embryonale Körperchen generiert wurden, bei denen es sich um 3D-Aggregate verschiedener Arten handelt von pluripotente Zellen, aus denen Gehirn, Herz, Leber, Blutgefäße, Muskeln und andere Organe entstehen. Sie fanden heraus, dass das Zellüberleben abnahm, was darauf hindeutet, dass Nikotin die Embryonalentwicklung bereits im Präimplantationsstadium beeinflussen kann.

Die Exposition gegenüber Nikotin verringerte auch die Größe des embryonalen Körpers, erhöhte den Gehalt an schädlichen Molekülen, die als reaktive Sauerstoffspezies bezeichnet werden, und führte zu einer fehlerhaften Bildung und Differenzierung des embryonalen Körpers. Darüber hinaus veränderte die Nikotinexposition den Zellzyklus in einem breiten Spektrum von Vorläuferzellen, die sich von hESCs unterschieden, und verursachte eine fehlregulierte Zell-zu-Zell-Kommunikation, eine weitere nachteilige Wirkung, die nicht gut untersucht wurde. Die Forscher fanden auch heraus, dass die Nikotinexposition zu einer veränderten Expression von Genen führt, die an der Metalltoxizität und mitochondrialen Funktion, Gehirnfehlbildungen und geistiger Behinderung, Muskelentwicklung und -krankheit, Lungenerkrankungen und Ca2+-assoziierten Herzrhythmusstörungen beteiligt sind, die die Kontraktilität von Herzmuskelzellen beeinflussen.

Übergewicht der Mutter beeinflusst die Entwicklung des Embryos

Ein weiterer Einflussfaktor, der eine Rolle bei der embryonalen Entwicklung spielen könnte, ist mütterliches Übergewicht. Forschungen stellten fest, dass Embryonen aus Rindereiern, die hohen Fettsäuren ausgesetzt waren, weniger Zellen, eine veränderte Genexpression und eine veränderte Stoffwechselaktivität aufwiesen, alles Indikatoren für eine verringerte Lebensfähigkeit. Auch wenn die Untersuchungen mit Eizellen von Kühen durchgeführt wurden, geben die Resulate wichtige Hinweise und zeigen, warum Frauen, die an Stoffwechselstörungen wie Fettleibigkeit und Diabetes leiden, häufig Schwierigkeiten haben, schwanger zu werden.

Patientinnen dieser Gruppe neigen dazu, mehr von ihrem gespeicherten Fett zu verstoffwechseln, was dazu führt, dass mehr Fettsäuren in den Eierstöcken vorhanden sind, die sich in der Forschung bereits vor dem Eisprung als toxisch für die wachsenden Eizellen erwiesen haben, und negative Auswirkung auf den überlebenden Embryo haben. Die Embryonen würden zudem eine erhöhte Expression spezifischer Gene zeigen, mit dem zellulärem Stress in Verbindung stehen. Diese Forschungen unterstreichen die Bedeutung eines gesunden Gewichts von Frauen bereits vor der Schwangerschaft.