Was genau passiert nach der Befruchtung, also wenn ein Spermium und eine Eizelle zusammengekommen sind und die Voraussetzungen für menschliches Leben entstehen? Kurz zusammengefasst beginnen die Zellen, sich zu teilen, nisten sich in der Schleimhaut der Gebärmutter ein, der Embryo wächst heran. Bevor sich der winzige Zellhaufen nach fünf oder sechs Tagen in der Gebärmutter einpflanzt, womit offiziell eine Schwangerschaft beginnt, heißt er Blastozyste oder Keimblase. Ihr schematisches Aussehen hat sogar Gustav Klimt verewigt: In der Blase befindet sich eine Zellschicht am Rand, ein großer flüssigkeitsgefüllter Raum und eine innere Zellmasse.

Die Details dieser Prozesse sind bisher allerdings noch nicht vollständig erforscht. Um diesen Geheimnissen nachzugehen, entwickelte eine Forschungsgruppe des Wiener Instituts für Molekulare Biotechnologie (Imba) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) aus menschlichen Stammzellen ein Modell, das die ersten Stadien eines Embryos und seine Einnistung imitiert. Die entstehende Form nennen die Forschenden "Blastoid", also ein blastozystenartiges Gebilde, wie sie im Fachmagazin "Nature" schreiben.

Keimblasen und klebrige Zellen

Das Team um Nicolas Rivron, zu dem auch Wissenschafterinnen und Wissenschafter französischer und belgischer Institute gehören, konnte den Prozess also im Labor nachstellen. Dafür nutzte es sogenannte pluripotente Stammzellen, also ursprüngliche Zellen, die sich in fast alle Zelltypen weiterentwickeln können. Diese wurden behandelt mit Stoffen, die drei Signalwege in den Stammzellen stoppen. Dadurch entwickeln sie sich zu Blastoiden, die einer natürlichen Keimblase sehr ähnlich sind (zu mehr als 70 Prozent) und die richtigen Zellen ausbilden (zu mehr als 97 Prozent). "Damit haben wir erstmals ein verlässliches Labormodell für frühe menschliche Embryos", sagt Rivron.

Im Labor brachten die Forschenden die Blastoide mit einer Kultur von Gebärmutter-Schleimhautzellen in Kontakt, die sie zuvor mit Hormonen stimuliert hatten. Diese Stimulation sorgte dafür, dass das Keimblasen-Modell eine rechte und eine linke Seite ausbildete. Außen entstanden zudem "sticky cells", also klebrige Zellen, die ermöglichen, dass sich der Zellball an der Schleimhaut fixiert und festsetzt.

Kritischer Punkt bei der Befruchtung

Genau dieses Einpflanzen ist ein kritischer Punkt, wenn sich eine Schwangerschaft anbahnt. Scheitert eine Schwangerschaft, so ist dies zu etwa 75 Prozent an der Phase der Einnistung festzumachen, die ungefähr eine Woche dauert, sagt Rivron. Nur aus etwa der Hälfte der befruchteten Eizellen, die natürlicherweise entstehen, kann sich ein Baby entwickeln, und einen ähnlichen Wert ermittelte das Forschungsteam auch für ihr Modell aus Stammzellen.

"Etwa 40 Prozent bildeten keine klebrigen Zellen", sagt Rivron. Das sei bei der natürlichen Empfängnis bereits ein großes Problem. Daten aus Kinderwunschkliniken, in denen mit künstlicher In-vitro-Fertilisation (IVF) gearbeitet wird, zeigen noch niedrigere Erfolgsraten: Es kommt freilich auf die jeweilige Person an, aber im Durchschnitt bilden nur 15 bis 35 Prozent der befruchteten Eizellen Keimblasen von ausreichender Qualität. Und von diesen sei es wiederum nur etwa die Hälfte, die sich erfolgreich in der Gebärmutter einnisten und zur Schwangerschaft führen.

Verhütung ohne Hormone

Hier sieht Rivron auch einen Bereich, der von der Grundlagenforschung am Blastoid-Modell profitieren könnte. Wenn man die Interaktionen zwischen der Vorphase des Embryos, also der Keimblase, und der Gebärmutter genauer untersucht und besser versteht, könne man dazu beitragen, die Chancen bei künstlichen Befruchtungen zu erhöhen. Ein bestimmter natürlicher Signalstoff namens Lysophosphatidinsäure bewirkte beispielsweise, dass die Selbstorganisation der Stammzellen im Modell stark verbessert wurde, wie das Team herausfand.

Auf der anderen Seite gibt es auch Anwendungsmöglichkeiten des gewonnenen Wissens beim Verhindern einer Schwangerschaft. So könne man neue Verhütungsmethoden entwickeln, die ohne Hormoneinnahme oder -abgabe wie bei der Antibabypille oder der Hormonspirale auskommen, sagt Rivron: "Wir haben mehr als 50 Substanzen, die wir dafür testen wollen." Eine dieser Substanzen ist bereits als Medikament zugelassen: SC144 wird in den USA in der Krebstherapie verwendet, kann den neuen Forschungsergebnissen zufolge aber auch das Anheften des Blastoids an der Gebärmutterschleimhaut unterbinden.

Ethische Richtlinien

Den Fortschritt, den die Studie im Vergleich zu früheren Forschungsarbeiten geleistet hat, unterstreicht auch Magdalena Zernicka-Goetz, Stammzellbiologin an der Universität Cambridge, die nicht an dieser Studie beteiligt war. Dem Team sei es gelungen, eine große Hürde bei der Entwicklung eines solchen Modells zu bewältigen, indem die drei Signalwege gestoppt wurden. "Das System verspricht eine breite Anwendung bei der Untersuchung der grundlegenden Biologie der frühesten Stadien einer menschlichen Schwangerschaft – und für praktische Anwendungen, wie der Entwicklung neuer Verhütungsmittel", sagt Zernicka-Goetz.

Die Studie lief gemäß allen ethischen Richtlinien ab. Dem Molekularbiologen Rivron ist es auch wichtig zu betonen, dass entsprechende klare Trennlinien in der Forschung wichtig seien: "Eine rote Linie, die wir nicht überschreiten wollen, ist zum Beispiel, dass diese Blastoiden nie in Menschen oder Tieren transplantiert werden." Ihr Ziel sei es, die molekularen Mechanismen im Labor zu analysieren und dadurch Impulse für die Reproduktionsmedizin zu liefern. (sic, 2.12.2021)