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Vorlesung, 7. FS, WS 2007/08, Andrologie und künstliche Besamung Andrologie und Haustierbesamung Teil 1 Dr. J. Erices.

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1 Vorlesung, 7. FS, WS 2007/08, Andrologie und künstliche Besamung Andrologie und Haustierbesamung Teil 1 Dr. J. Erices

2 Datum ThematikLehrende Fortpflanzungsphysiologie beim männlichen Tier und fortpflanzungsbiologische Grundlagen der künstlichen Besamung KB) Dr. J. Erices Gastvorlesung: Andrologie und instrumentelle Samenübertragung bei Hund und Katze Prof. Dr. Anne-R. Günzel- Apel, Stiftung TiHo Hannover Künstliche Besamung: allgemeines, geschichtlicher Überblick. Gesetzesgrundlagen, Bedeutung und Stand der KB in der deutschen Tierproduktion Ejakulatuntersuchung, Spermaverarbeitung Dr. J. Erices Verfahren der KB beim RindDr. J. Erices Verfahren der KB beim PferdDr. J. Erices Verfahren der KB beim SchweinDr. J. Erices Verfahren der KB beim KleinwiederkäuerDr. J. Erices montags: – Uhr, Hörsaal der CTK Andrologie und Haustierbesamung

3 Busch, W. u. A. Holzmann: Veterinärmedizinische Andrologie. Schattauer, Stuttgart, New York Busch, W. u. Dagmar Waberski: Künstliche Besamung bei Haus- und Nutztieren. Schattauer, Stuttgart, New York Hahn, R., Kupferschmied, H.U. u. F. Fischerleitner: Künstliche Besamung beim Rind. Enke, Stuttgart Klug, E. u. H. Sieme: Samenübertragung beim Pferd in Theorie und Praxis. Schaper Alfeld-Hannover. 5. Auflage Aurich, Christine: Reproduktionsmedizin beim Pferd. Gynäkologie - Andrologie - Geburtshilfe. Parey. Stuttgart Günzel-Apel, Anne-Rose: Fertilitätskontrolle und Samenübertragung beim Hund. Fischer. Jena, Stuttgart 1994 (VET Special). Literaturempfehlungen

4 1. Fortpflanzungsphysiologie beim männlichen Tier

5 Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane Samenzellbildung (Spermatogene) Thermoregulation der Hoden und Nebenhoden Spermienreifung und -speicherung in Nebenhoden Spermaproduktion Samentransport im weiblichen Genitale Fortpflanzungsphysiologie beim männlichen Tier

6 Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane Hypothalamus, Hypophyse und Gonaden bilden das biokybernetische System der Fortpflanzung. In diesem System vollziehen sich die Spermiogenese, die Ovogenese, die Ovulation, die Konzeption, die Gravidität, der Partus und die Laktation.

7 Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane Das Hypothalamus-Hypophysen- System wird trotz gewisser Autonomie durch verschiedene Faktoren beeinflußt (äußere, innere Reize). Exterozeptive Reize: akustische, visuelle, olfaktorische, taktile Reize. Interozeptive Reize: sog. Neurotransmitter: Acetylcholin, Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, GABA (Gammaamino-buttersäure) und Serotonin. Lichtimpulse Retina Epiphyse (Zirbeldrüse) Melatoninfreisetzung

8 Hormone, die die Sexualfunktion beim männlichen Tier steuern (1) HormonHerkunftWirkungsebeneHauptwirkung GnRHHypothalamusAdenohypophyseFSH-, LH- Freisetzung LHAdenohypophyseHoden (Leydig-Zellen) Stimulierung der Testosteronproduktion FSHAdenohypophyseHoden (Sertoli-Zellen) Funktion der Sertoli- Zellen ProlactinAdenohypophyseHoden, Gehirnkann maternales Verhalten hervorrufen Oxytocin (OT) Hypothalamus, Neurohypophyse gl. Muskulatur v. N-H- Schwanz, Samenleiter, Samenleiterampulle PGF 2α -Synthese präejakulatorische Spermienmotilität

9 Hormon HerkunftWirkungsgewebeHauptwirkung Estradiol (E 2 )Sertoli-ZellenGehirnSexualverhalten Testosteron (T) Leydig-ZellenAnhangdrüsen, Tunica dartus, Hodenparenchym, Skelettmuskulatur Wachstum, fördert Spermatogenese und Anhangdrüsensekretion InhibinSertoli-ZellenGonadotropine der Hypophyse hemmt FSH-Sekretion Prostaglandine (PGF 2α ) Samenblasen- drüse Nebenhodenmetabolische Spermienaktivität, NH-Kontraktion Hormone, die die Sexualfunktion beim männlichen Tier steuern (2)

10 Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane

11 Pubertät als ein Vorgang Erwachen der generativen Funktion der Keimdrüsen oder die Fähigkeit, sich zu vermehren Die Pubertät als Vorgang ist abhängig von der Fähigkeit des Hypothalamus, ausreichende GnRH zu sezernieren, um die Gametogenese in Gang zu bringen und aufrechtzuerhalten. Diese hypothalamische Funktion wird beeinflusst durch die körperliche Entwicklung des Tieres, die Reaktion auf bestimmte Umweltfaktoren, die genetische Veranlagung.

12 Kriterien zur Pubertätsdefinition im Bezug auf das Alter auf Artgenossen aufspringen kann (mit erigiertem Glied), ejakulieren kann (ohne ausreichende Spermien für eine Konzeption), den Deckakt vollzieht (mit Spermien, die im Nebenhoden- schwanz gelagert waren), Samenzellen abgibt, die dann im Harn festgestellt werden, den Deckakt vollzieht mit ausreichenden Samenzellen, um eine Konzeption zu erzielen. Das Männchen ist in dem Alter geschlechtsreif, in dem es:

13 Samenqualität bei Bullen puberal erstes Ejakulat zuchtreif minimale Anforderung 50 x 10 6 Spermien/Ejakulat >10% vorwärtsbewegliche Spermien 500 x 10 6 Spermien/ml >50% vorwärtsbewegliche Spermien >80% morphologisch normale Spermien

14 Pubertätsalter (Monate) bei einigen Haustieren Speziesmännlichweiblich Rind11 (7 – 18) 11 (9 – 24) Schaf7 (6 – 9) 7 (4 – 14) 1 Schwein7 (5 – 8) 6 (5 – 7) Pferd14 (10 – 24) 18 (12 – 19) 1 saisonaler Einfluss

15 Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasseweiblichmännlich Holstein-Friesian8,59,0 Braunvieh11,68,8 Angus12,49,8 Hereford13,010,8 Brahman19,017,0

16 Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasseweiblichmännlich Holstein-Friesian8,59,0 Braunvieh11,68,8 Angus12,49,8 Hereford13,010,8 Brahman19,017,0

17 Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasseweiblichmännlich Holstein-Friesian8,59,0 Braunvieh11,68,8 Angus12,49,8 Hereford13,010,8 Brahman19,017,0

18 Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasseweiblichmännlich Holstein-Friesian8,59,0 Braunvieh11,68,8 Angus12,49,8 Hereford13,010,8 Brahman19,017,0

19 Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasseweiblichmännlich Holstein-Friesian8,59,0 Braunvieh11,68,8 Angus12,49,8 Hereford13,010,8 Brahman19,017,0

20 GnRH-Freisetzung beim präpuberalen männlichen Tier Der Hypothalamus ist nicht in der Lage, GnRH in ausreichender Frequenz und Amplitude zu sezernieren die FSH- und LH-Sekretion reicht nicht aus, um die Spermiogenese in Gang zu bringen

21 Pubertät als ein Vorgang Erwachen der generativen Funktion der Keimdrüsen oder die Fähigkeit, sich zu vermehren Die Pubertät als Vorgang ist abhängig von der Fähigkeit des Hypothalamus, ausreichende GnRH zu sezernieren, um die Gametogenese in Gang zu bringen und aufrechtzuerhalten. Diese hypothalamische Funktion wird beeinflusst durch die körperliche Entwicklung des Tieres, die Reaktion auf bestimmte Umweltfaktoren, die genetische Veranlagung.

22 GnRH-Freisetzung beim postpuberalen männlichen Tier Die GnRH-Sekretion erfolgt pulsatil (alle Stunden) die LH-Sekretion ist dann ebenfalls pulsatil genauso wie die Testosteronfreisetzung

23 Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane

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25 Testosteron-Funktionen (lokal) - Haarwuchs - Knochenstoffwechsel - Muskelaufbau - Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale - Funktion der männlichen Reproduktionsorgane Östrogene: isoliert beim Hengst, Eber, Bullen, Hund, Menschen

26 Bei einem männlichen zuchtreifen Tier ist eine ungestörte normale Samenzellbildung abhängig von: adäquater GnRH-Produktion durch den Hypothalamus ausreichender FSH- und LH-Sekretion durch die Hypophyse ausreichender Sekretion von Steroidhormonen durch die Gonaden. Endokrine Regulation - Spermatogenese

27 Spermatogenese Vorgang der Bildung männlicher Gameten Sie beginnt mit der Teilung von Stammzellen und endet mit der Bildung von Spermien. Phasen der Keimzellreifung: - Mitotische Proliferation und Differenzierung der diploiden Keimzellen (Spermatogonien) - Meiotische Reifeteilung der tetraploiden Keimzellen (Spermatozyten) - Transformation der haploiden Keimzellen (Spermatiden) in Spermien

28 Dauer der Spermatogenese bei einigen Haustieren und dem Menschen GattungDauer (Tage) Bulle61 Eber38 Hengst57 Bock47 Hund54 Mensch64

29 Thermoregulation der Hoden und Nebenhoden (1) Die Gefäßversorgung des Hodens gewährleistet - den An- und Abtransport von endokrinen Faktoren und Metaboliten - die Regulation der testikulären Temperatur

30 Thermoregulation der Hoden und Nebenhoden (2) Die Aufrechterhaltung der physiologisch niedrigen Temperatur der Hoden (4 –6°C niedriger als der Korperinnere) erfolgt über zwei thermoregulatorische Systeme: -über die Skrotalhaut kann Wärme nach außen abgegeben werden. - über den Plexus pampiniformis wird nach dem Wärme- austauscher-Prinzip das ankommende arterielle Blut abgekühlt.

31 The temperature regulation in the ram Senger/Oei (1997)

32 Spermienreifung und –speicherung in Nebenhoden Zweck der Nebenhodenpassage: Erlangung der Motilität und des Fertilitätspotentials Epidydimale Funktion ist androgen abhängig Länge des Ductus epididymidis (Nebenhodengang) je nach Art: 30 – 60 m Im NH-Kopf und –Körper findet die eigentliche Spermienreifung statt, während im NH-Schwanz die reifen, befruchtungsfähigen Spermien gelagert werden

33 SpeziesNH-KopfNH-KörperNH-SchwanzInsgesamt Bulle Eber Hengst1269 Bock13812 Mensch12-14 Dauer der Nebenhodenpassage (Tage): Spermienreifung und –speicherung in Nebenhoden

34 Spermaproduktion bei Haustieren und Menschen 1 spermatogenic efficiency 2 daily spermatozoal production 3 während der Zuchtsaison

35 Normale Ejakulatvolumen und Spermiendichte bei Haustieren und Menschen SpeziesEjakulatvolumen (ml) Spermienkonzentration ( x10 6 /ml) Bulle3 – – Schafbock0,3 – 2,0 1, – Eber100 – – Hengst25 – – Rüde2 – Mensch2 – –

36 Spermientransport im weiblichen Genitale

37 Spermientransport im weiblichen Genitale bei landwirtschaftlichen Nutztieren Voraussetzung für eine Befruchtung der Eizelle(n) ist vor allem, dass befruchtungsfähigen Spermien sich in der Eileiterampullen befinden und zwar in ausreichender Anzahl und zum richtigen Zeitpunkt im Bezug auf Belegungs- bzw. Besamungszeitpunkt.

38 Spermientransport Es werden drei Phasen des Samenzellentransportes unterschieden: (1)initialer schneller Transport, (2) Besiedlung der Spermienreservoirs (vorwiegend aktiv), (3) langsame Ablösung und Transport der Spermien (vorwiegend aktiv).

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40 Phasen des Spermientransportes Zu 1. Er findet sofort nach der Belegung statt, nimmt min in Anspruch, die Mizellen des Zervikalschleims erleichtern das Eindringen der Spermien in die Zervikalkrypten, Er wird durch die kontraktile Aktivität des Myometrium und Mesosalpinx gefördert. Zu 2. In den Zervikalkrypten herrscht ein spermienfreundliches Milieu (Wiederkäuer, Mensch; Hund?) Zu 3. Die Spermien werden hauptsächlich durch retrograden Transport, Leukozyteninfiltration und Spermiophagie abgestoßen. Immunologische Abwehrvorgänge, physiko-chemische und mechanische Barrieren können die Vorwärtsbeweglichkeit der Samenzellen verhindern. Innerhalb von mehreren Stunden siedeln sich befruchtungskompetente Spermien im Eileiter ein.

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42 Typical neutrophil infiltration pattern into the uterine lumen following insemination in the cow. Senger/Oei (1997)

43 Seminalplasma Während der Ejakulation werden die Spermien mit den Sekreten der Anhangdrüsen (Seminalplasma) gemischt Das Seminalplasma dient als Nähr- und Transportsubstanz. Die Sekretion der akzessorischen Geschlechtsdrüsen wird durch das Testosteron gesteuert. Wichtige Sekretionsprodukte sind im Seminalplasma enthalten wie: -hohe Konzentrationen an: Askorbinsäure, Aminosäuren, Peptide, Proteine, Lipide, Fettsäuren, zahlreiche Enzyme - antimikrobielle Bestandteile: Immunoglobuline (IgA) -Hormone: Androgene, Prostaglandine, Östrogene, FSH, LH, Insulin, Prolaktin usw.

44 Sekretvolumina der akzessorischen Geschlechtsdrüsen 1 SpeziesVolumen (ml) (Variationsbreite) Mittleres Volumen (ml) Herkunft der Hauptfraktionen Rind Samenleiterampullen, Samenblasendrüsen Pferd Samenleiterampullen Samenblasendrüsen Schwein Samenblasendrüsen Prostata Bulbourethraldrüsen Schaf0,7 - 21Samenblasendrüsen Ziege0,2 - 0,51Samenblasendrüsen Hund Prostata 1 nach Mann u. Lutwak-Mann (1981) u. Kolb (1984)

45 Spermienanzahl: Ort der Ablage - Ort der Befruchtung Bullenejakulat Von der großen Anzahl der Spermien, die beim Deckakt in die Fornix vaginae plaziert werden, gelangt nur ein sehr geringer Anteil in den Eileiter. Hunter und Greve, 1998

46 Spermienreservoir im kaudalen Eileiteristhmus Der kaudale Isthmus fungiert als Spermienreservoir bei den Wiederkäuern Pferd und Schwein beim Hund: ? (Uterindrüsen als Spermienspeicher ?) Aufgaben des Isthmus: Selektion der intakten Spermien Sicherstellung des Überlebens der Spermien Kapazitation der Spermien Begrenzung der Spermienzahl am Befruchtungsort

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48 Kapazitation und Akrosomreaktion Kapazitation ist der Reifungsprozess der Spermien im weiblichen Genitaltrakt Ejakulierte Spermien, obwohl sie befruchtungsfähig sind, müssen eine "Aktivierungsphase" durchlaufen, um die Eizelle befruchten zu können. Es handelt sich um Veränderungen im Akrosom und um Veränderungen des Bewegungsmusters (Hyperaktivierung). Die Dauer der Kapazitation hängt vom Intervall Insemination - Ovulation ab (beträgt einige Stunden). Kapazitierte Spermien sind kurzlebig und instabil Transport zur Ampulle und Befruchtung müssen unmittelbar erfolgen. Nur in kapazitierten Spermien wird durch Kontakt mit der Zona pellucida die Akrosomreaktion ausgelöst.

49 Kapazitation und Akrosomreaktion


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