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Epimutations in Germ-Cell and Embryo Development: Possible Consequences for Assisted Reproduction
(2011)
Assisted reproductive technologies (ART) emerged in the late 1970’s as a therapy for human infertility. Up till now more than 3 million babies have been conceived through ART, demonstrating the safety and efficiency of the technique. Published reports showed an increase in the rate of imprinting disorders (Beckwith Wiedemann Syndrome, Angelman Syndrome, etc.) in babies born after ART. What are the effects imposed through ART and should researchers reassess its safety and implications on the future offspring? Throughout this thesis, I analyzed the methylation patterns of germ cells and embryos to determine whether in vitro maturation and in vitro fertilization have a negative impact on the epigenetic patterns. Furthermore, DNA methylation was compared between sperm of infertile and presumably fertile controls in order to understand whether epigenetic disturbances lead to infertility at the first place. The occurrence of methylation aberrations in germ cells of infertile patients could be transmitted to new-borns and then cause epigenetic disorders. In order to elucidate the imprinting status within single cells, I developed a new technique based on limiting dilution where bisulfite treated DNA is distributed across several wells before amplification. This allowed methylation measurement at the single allele level as well parent of origin detection. In a total of 141 sperm samples from couples undergoing in vitro fertilization (IVF) or intracytoplasmic sperm injection (ICSI) including 106 with male factor or combined infertility and 28 with female infertility, I detected a significant correlation between lower quality of semen parameters (sperm count, percentage of abnormal sperm, and percentage of motile sperm) and the rate of imprinting errors. ALU repeats displayed a higher methylation in sperm DNA of patients leading to a pregnancy and live birth, compared to patients in which pregnancy was not achieved or a spontaneous abortion occurred. A discriminant analysis based on ALU methylation allowed correct classification of >70% of cases. Preliminary data from illumina methylation arrays where more than 27,000 CpGs were analyzed determined that only a single CpG site from the open reading frame C14orf93 was significantly different between the infertile and presumably fertile control group. However, further improvements on data normalization might permit detection of other differentially methylated regions. Comparison of embryos after natural conception, in vitro fertilized embryos from superovulated oocytes, and embryos achieved through fertilization of in vitro cultured oocytes revealed no dramatic effect on the imprinting patterns of Igf2r, H19, and Snrpn. Oocyte cryotop vitrification did not result in a dramatic increase of imprinting mutations in oocytes even though the rate of sporadic methylation errors in single Snrpn CpGs were higher within the in-vitrified group. Collectively, the results I will present within this thesis suggest an increase in the rate of imprinting errors within the germ cells of infertile patients, in addition to a decrease in genome wide methylation of ALU repetitive elements. I did not observe a detrimental effect on the methylation patterns of oocytes and the resulting embryos using in vitro maturation of oocytes and/or standard IVF with in vivo grown superovulated oocytes.
Das Verfahren der intracytoplasmatischen Spermainjektion (ICSI) wird seit 1995 an der Universitäts-Frauenklinik Würzburg angewandt. Diese Studie untersuchte die physische und psychische Entwicklung von 73 ICSI-Kindern sowie die Lebenszufriedenheit ihrer Mütter. Anhand des Enzephalopathie-Fragebogens von Meyer-Probst, des Mann-Zeichen-Tests nach Ziler sowie einiger demographischer Variablen konstatierten wir eine durchschnittliche Entwicklung der ICSI-Kinder. Bei den Risikokindern (Mehrlinge, Frühgeborene und Kinder mit zu geringem Geburtsgewicht) zeichnete sich ein Trend zu schlechteren Ergebnissen ab. Ein signifikanter Unterschied errechnete sich nur zwischen Einlingen und Mehrlingen (Irrtumswahrscheinlichkeit < 5 %). Eine erhöhte Fehlbildungsrate, wie in der Literatur häufig beschrieben, konnten wir nicht verzeichnen. Die Lebenszufriedenheit der ICSI-Mütter entsprach dem Vergleichskollektiv, die höchste Zufriedenheit konstatierten wir bezüglich der Freude mit ihren Kindern. Mehrlingsmütter zeigten sich trotz der erhöhten Belastung nicht unzufriedener. Frauen, die sich mehreren Zyklen unterziehen mussten, bis es zu einer erfolgreichen Schwangerschaft kam, weisen immer noch eine geringere Selbstzufriedenheit auf.
Die Felder und Techniken der modernen Fortpflanzungsmedizin sind im Laufe der Jahre weit fortgeschritten. Um dem Wunsch eines kinderlosen Ehepaares nach Nachwuchs nachzugehen, haben sich Methoden entwickelt, um diesen zu erfüllen. Hierbei haben sich die In-Vitro-Fertilisation und die daraus entwickelte Modifikation, die Intracytoplasmatische Spermieninjektion etabliert. Auch wenn die seit dem Jahre 2004 durchgeführten IVF-Geburten, aufgrund mangelnder Krankenkassenleistungen, entschieden gesunken sind und die kumulative Schwangerschaftsrate nach drei durchgeführten Embryotransfers maximal bei 50-70 % liegt, ist die In-Vitro-Fertilisation und mit ihr verwandten Intracytoplasmatischen Spermieninjektion (im Falle mangelnder Spermienqualität) neben der homologen und heterologen Insemination das älteste und das neuste reproduktionsmedizinische Verfahren, das zur Behandlung des unerfüllten Kinderwunsches eingesetzt wird. Des Weiteren haben sich die Präimplantations- und Pränataldiagnostik einen weit verbreiten Ruf verschafft, um Erbkrankheiten und Fehlentwicklungen des Embryos noch in frühester Entwicklungszeit aufzudecken. Dass hierbei der Embryo und das noch ungeborene Leben in eine Zwickmühle ethischer und rechtlicher Beurteilungen rutschen, scheint offensichtlich. Denn das seit 1990 in Kraft getretene Embryonenschutzgesetz regelt zwar weite Bereiche rund um den Schutz des Embryos, hinterlässt aber auch Lücken. Somit werden Rufe laut nach der Schaffung eines eigenen Fortpflanzungsmedizingesetzes, um die ungeregelten Aspekte der Fortpflanzungsmedizin zu klären [457]. Die rechtliche Lage der modernen Fortpflanzungsmedizin in Deutschland ist recht komplex. Für die vielen verschiedenen Methoden herrschen unterschiedlich rechtliche Regelungen. So wird zum Beispiel die In-Vitro-Fertilisation rechtlich anders geregelt als die Pränatal- und die Präimplantaionsdiagnostik. In Hinsicht auf die In-Vitro-Fertilisation dient als rechtliche Grundlage das Embryonenschutzgesetz, welches besagt, dass „bereits die befruchtete, entwicklungsfähige menschliche Eizelle vom Zeitpunkt der Kernverschmelzung an“ einem Embryo mit all seinen Rechten entspricht. Die Pränataldiagnostik stützt sich zum großen Teil auf die von der Bundesärztekammer verabschiedeten „Richtlinien zur pränatalen Diagnostik von Krankheiten und Krankheitsdispositionen“ sowie auf eine „Erklärung zum Schwangerschaftsabbruch nach Pränataldiagnostik“. In diesen Richtlinien wird darauf hingewiesen, dass zum einen das Lebensrecht des Ungeborenen, zum anderen die Handlungsfreiheit der Eltern in die jeweiligen Entscheidungen einbezogen werden muss. Die in Deutschland zwischen Zulassung und Nichtzulassung befindliche Präimplantationsdiagnostik beruft sich auf das Embryonenschutzgesetz, welches den Verbrauch von Embryonen verbietet, da nach dem Gesetz eine Blastomere einem ganzen Embryo gleichgestellt sei. Ebenso besagt das ESchG, dass eine Eizelle nur zum Zweck der Herbeiführung einer Schwangerschaft befruchtet werden darf, da aber die Präimplantationsdiagnostik die genetische Analyse beabsichtigt, steht dies in einem Widerspruch. Jedoch wird in und außerhalb von Europa der Umgang mit IVF, Präimplantations- und Pränataldiagnostik verschieden gehandhabt. Während sich Deutschland und Österreich für ein klares Verbot der Präimplantationsdiagnostik aussprechen, ist diese in Frankreich und Großbritannien grundsätzlich möglich. Wenn man sich die halachischen Grundlagen im Umgang mit der modernen Fortpflanzungsmedizin vor Augen führt, ist es im Kern der Status des Embryos, der Juden und Christen in zwei völlig verschiedene Richtungen laufen lässt. Die Halacha spricht von menschlichem Leben erst von der Geburt an und geht von mehreren unterscheidbaren Stadien in der Entwicklung des vorgeburtlichen Lebens im Mutterleib aus. Ganz anders die christliche Ethik, sie erkennt bereits dem Embryo die Schutzwürdigkeit menschlichen Lebens zu. Wenn das jüdische Recht die Schutzwürdigkeit eines Embryos nach der entscheidenden Frage differenziert, ob er jünger oder älter als vierzig Tage ist, wird deutlich, dass die IVF als grundsätzlich rechtmäßig gelten muss, da die Embryonen, die im Zuge jeder IVF zerstört oder weitergehend genutzt werden, keinen besonderen Schutz in Anspruch nehmen können. Ebenso fallen jene Vorgänge und Maßnahmen einer modernen PID in jenen Zeitraum von vierzig Tagen nach der Empfängnis, innerhalb dessen nach jahrtausendalter Einstellung des jüdischen Rechts noch kein menschliches Leben im Mutterleib existiert. Somit steht die Halacha einer begründeten PID nicht im Wege. Eine zweite große Kernaussage dieser Dissertation ist die, dass sich das jüdische Religionsgesetz (die Halacha), welche unter anderem die Anleitungen zum Umgang mit der modernen Reproduktionsmedizin liefert, stets darauf bedacht ist, neu ausgelegt zu werden. Die Halacha ist ein immerwährend andauernder Prozess von Erneuerung, welche sich den aktuellen und örtlichen Gegebenheiten kritisch anpassen muss. So auch der Umgang mit der modernen Fortpflanzungsmedizin, der einem immerwährenden Prozess von Erneuerungen unterlegen ist.
Die Felder und Techniken der modernen Fortpflanzungsmedizin sind im Laufe der Jahre weit fortgeschritten. Um dem Wunsch eines kinderlosen Ehepaares nach Nachwuchs nachzugehen, haben sich Methoden entwickelt, um diesen zu erfüllen. Hierbei haben sich die In-Vitro-Fertilisation und die daraus entwickelte Modifikation, die Intracytoplasmatische Spermieninjektion etabliert.
Auch wenn die seit dem Jahre 2004 durchgeführten IVF-Geburten, aufgrund mangelnder Krankenkassenleistungen, entschieden gesunken sind und die kumulative Schwangerschaftsrate nach drei durchgeführten Embryotransfers maximal bei 50-70 % liegt, ist die In-Vitro-Fertilisation und mit ihr verwandten Intracytoplasmatischen Spermieninjektion (im Falle mangelnder Spermienqualität) neben der homologen und heterologen Insemination das älteste und das neuste reproduktionsmedizinische Verfahren, das zur Behandlung des unerfüllten Kinderwunsches eingesetzt wird.
Des Weiteren haben sich die Präimplantations- und Pränataldiagnostik einen weit verbreiten Ruf verschafft, um Erbkrankheiten und Fehlentwicklungen des Embryos noch in frühester Entwicklungszeit aufzudecken. Dass hierbei der Embryo und das noch ungeborene Leben in eine Zwickmühle ethischer und rechtlicher Beurteilungen rutschen, scheint offensichtlich. Denn das seit 1990 in Kraft getretene Embryonenschutzgesetz regelt zwar weite Bereiche rund um den Schutz des Embryos, hinterlässt aber auch Lücken. Somit werden Rufe laut nach der Schaffung eines eigenen Fortpflanzungsmedizingesetzes, um die ungeregelten Aspekte der Fortpflanzungsmedizin zu klären [457].
Die rechtliche Lage der modernen Fortpflanzungsmedizin in Deutschland ist recht komplex. Für die vielen verschiedenen Methoden herrschen unterschiedlich rechtliche Regelungen. So wird zum Beispiel die In-Vitro-Fertilisation rechtlich anders geregelt als die Pränatal- und die Präimplantaionsdiagnostik.
In Hinsicht auf die In-Vitro-Fertilisation dient als rechtliche Grundlage das Embryonenschutzgesetz, welches besagt, dass „bereits die befruchtete, entwicklungsfähige menschliche Eizelle vom Zeitpunkt der Kernverschmelzung an“ einem Embryo mit all seinen Rechten entspricht.
Die Pränataldiagnostik stützt sich zum großen Teil auf die von der Bundesärztekammer verabschiedeten „Richtlinien zur pränatalen Diagnostik von Krankheiten und Krankheitsdispositionen“ sowie auf eine „Erklärung zum Schwangerschaftsabbruch nach Pränataldiagnostik“. In diesen Richtlinien wird darauf hingewiesen, dass zum einen das Lebensrecht des Ungeborenen, zum anderen die Handlungsfreiheit der Eltern in die jeweiligen Entscheidungen einbezogen werden muss.
Die in Deutschland zwischen Zulassung und Nichtzulassung befindliche Präimplantationsdiagnostik beruft sich auf das Embryonenschutzgesetz, welches den Verbrauch von Embryonen verbietet, da nach dem Gesetz eine Blastomere einem ganzen Embryo gleichgestellt sei. Ebenso besagt das ESchG, dass eine Eizelle nur zum Zweck der Herbeiführung einer Schwangerschaft befruchtet werden darf, da aber die Präimplantationsdiagnostik die genetische Analyse beabsichtigt, steht dies in einem Widerspruch. Jedoch wird in und außerhalb von Europa der Umgang mit IVF, Präimplantations- und Pränataldiagnostik verschieden gehandhabt. Während sich Deutschland und Österreich für ein klares Verbot der Präimplantationsdiagnostik aussprechen, ist diese in Frankreich und Großbritannien grundsätzlich möglich.
Wenn man sich die halachischen Grundlagen im Umgang mit der modernen Fortpflanzungsmedizin vor Augen führt, ist es im Kern der Status des Embryos, der Juden und Christen in zwei völlig verschiedene Richtungen laufen lässt. Die Halacha spricht von menschlichem Leben erst von der Geburt an und geht von mehreren unterscheidbaren Stadien in der Entwicklung des vorgeburtlichen Lebens im Mutterleib aus. Ganz anders die christliche Ethik, sie erkennt bereits dem Embryo die Schutzwürdigkeit menschlichen Lebens zu.
Wenn das jüdische Recht die Schutzwürdigkeit eines Embryos nach der entscheidenden Frage differenziert, ob er jünger oder älter als vierzig Tage ist, wird deutlich, dass die IVF als grundsätzlich rechtmäßig gelten muss, da die Embryonen, die im Zuge jeder IVF zerstört oder weitergehend genutzt werden, keinen besonderen Schutz in Anspruch nehmen können. Ebenso fallen jene Vorgänge und Maßnahmen einer modernen PID in jenen Zeitraum von vierzig Tagen nach der Empfängnis, innerhalb dessen nach jahrtausendalter Einstellung des jüdischen Rechts noch kein menschliches Leben im Mutterleib existiert. Somit steht die Halacha einer begründeten PID nicht im Wege.
Eine zweite große Kernaussage dieser Dissertation ist die, dass sich das jüdische Religionsgesetz (die Halacha), welche unter anderem die Anleitungen zum Umgang mit der modernen Reproduktionsmedizin liefert, stets darauf bedacht ist, neu ausgelegt zu werden. Die Halacha ist ein immerwährend andauernder Prozess von Erneuerung, welche sich den aktuellen und örtlichen Gegebenheiten kritisch anpassen muss.
So auch der Umgang mit der modernen Fortpflanzungsmedizin, der einem immerwährenden Prozess von Erneuerungen unterlegen ist.
Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Endometriose sowie den Einfluss einer vollständigen Endometriose-Resektion auf morphokinetische, mit dem Implantationserfolg korrelierende Aspekte der Embryonenqualität zu untersuchen.
Für die zugrundeliegende retrospektive Studie wurden 258 im Rahmen von IVF- und/oder ICSI-Zyklen befruchtete und kultivierte Embryonen von 44 Patientinnen mit histologisch gesicherter Endometriose und 43 Patientinnen mit laparoskopisch ausgeschlossener Endometriose ausgewertet. Sowohl Endometriose als auch die vollständige Endometriose-Resektion wurden als Einflussfaktor der frühen Embryonalentwicklung untersucht. Hierfür wurde unter Anwendung des KIDScore\(^{TM}\) D3 und D5 Implantationsdaten-Algorithmus die Morphokinetik der jeweiligen Embryonen verglichen.
Die Analyse ergab keine signifikanten Unterschiede bei den medianen KIDScores\(^{TM}\) D3 zwischen den drei Gruppen aus Patientinnen ohne Endometriose, Patientinnen mit vollständig resezierter Endometriose und Patientinnen ohne vollständige operative Entfernung ihrer Endometriose. Bei den KIDScores\(^{TM}\) D5 erreichten die Embryonen von Patientinnen mit Endometriose ohne vollständige Resektion einen Medianwert von 2,6 (auf einer Skala von 1 bis 9,9), während die Embryonen der Kontrollgruppe aus Patientinnen ohne Endometriose einen Wert von 6,8 erreichten (p = 0,003). Der Medianwert für Embryonen von Endometriose-Patientinnen mit vollständiger chirurgischer Entfernung ihrer Endometriose betrug 7,2, was einen signifikanten Anstieg im Vergleich zu Embryonen von Patientinnen ohne vollständige Resektion darstellt (p = 0,002). Die Umrechnung in die Effektstärke d (Cohens d) ergab einen mittleren Effekt (d = 0,639) für „keine Endometriose“ versus „Endometriose ohne Resektion“ sowie einen großen Effekt (d = 0,93) für „Endometriose-Komplettresektion“ versus „Endometriose ohne Resektion“. In einer Fallserie aus vier Patientinnen, die sich sowohl vor als auch nach vollständiger Resektion ihrer Endometriose IVF-/ICSI-Zyklen unterzogen hatten, zeigten drei von vier Patientinnen eine deutliche Verbesserung der KIDScores\(^{TM}\) nach vollständiger Resektion. Die Schwangerschafts- und Abortraten zwischen Frauen mit und ohne Endometriose(resektion) wichen nicht signifikant voneinander ab.
Zusammenfassend scheint die vollständige Resektion der Endometriose die ansonsten tendenziell verminderte Embryonenqualität von Patientinnen, die sich einer künstlichen Befruchtung unterziehen, zu verbessern. Die Daten sprechen daher dafür, Patientinnen mit Endometriose vor IVF oder ICSI zu einem chirurgischen Eingriff zu raten.