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

Andrologie und Haustierbesamung Datum Thematik Lehrende 19.11.07 Fortpflanzungsphysiologie beim männlichen Tier und fortpflanzungsbiologische Grundlagen der künstlichen Besamung KB) Dr. J. Erices 26.11.07 Gastvorlesung: Andrologie und instrumentelle Samenübertragung bei Hund und Katze Prof. Dr. Anne-R. Günzel-Apel, Stiftung TiHo Hannover 10.12.07 Künstliche Besamung: allgemeines, geschichtlicher Überblick. Gesetzesgrundlagen, Bedeutung und Stand der KB in der deutschen Tierproduktion Ejakulatuntersuchung, Spermaverarbeitung 17.12.07 Verfahren der KB beim Rind 07.01.08 Verfahren der KB beim Pferd 14.01.8 Verfahren der KB beim Schwein 21.01.08 Verfahren der KB beim Kleinwiederkäuer montags: 12.00 – 13.30 Uhr, Hörsaal der CTK

Literaturempfehlungen Busch, W. u. A. Holzmann: Veterinärmedizinische Andrologie. Schattauer, Stuttgart, New York. 2001 Busch, W. u. Dagmar Waberski: Künstliche Besamung bei Haus- und Nutztieren. Schattauer, Stuttgart, New York. 2007. Hahn, R., Kupferschmied, H.U. u. F. Fischerleitner: Künstliche Besamung beim Rind. Enke, Stuttgart 1993. Klug, E. u. H. Sieme: Samenübertragung beim Pferd in Theorie und Praxis. Schaper Alfeld-Hannover. 5. Auflage. 2003. Aurich, Christine: Reproduktionsmedizin beim Pferd. Gynäkologie - Andrologie - Geburtshilfe. Parey. Stuttgart 2005. Günzel-Apel, Anne-Rose: Fertilitätskontrolle und Samenübertragung beim Hund. Fischer. Jena, Stuttgart 1994 (VET Special).

1. Fortpflanzungsphysiologie beim männlichen Tier

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

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.

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

Hormone, die die Sexualfunktion beim männlichen Tier steuern (1) Herkunft Wirkungsebene Hauptwirkung GnRH Hypothalamus Adenohypophyse FSH-, LH- Freisetzung LH Hoden (Leydig-Zellen) Stimulierung der Testosteronproduktion FSH (Sertoli-Zellen) Funktion der Sertoli- Zellen Prolactin Hoden, Gehirn kann maternales Verhalten hervorrufen Oxytocin (OT) Hypothalamus, Neurohypophyse gl. Muskulatur v. N-H-Schwanz, Samenleiter, Samenleiterampulle PGF2α-Synthese präejakulatorische Spermienmotilität

Hormone, die die Sexualfunktion beim männlichen Tier steuern (2) Herkunft Wirkungsgewebe Hauptwirkung Estradiol (E2) Sertoli-Zellen Gehirn Sexualverhalten Testosteron (T) Leydig-Zellen Anhangdrüsen, Tunica dartus, Hodenparenchym, Skelettmuskulatur Wachstum, fördert Spermatogenese und Anhangdrüsensekretion Inhibin Gonadotropine der Hypophyse hemmt FSH-Sekretion Prostaglandine (PGF2α) Samenblasen-drüse Nebenhoden metabolische Spermienaktivität, NH-Kontraktion

Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane

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.

Kriterien zur Pubertätsdefinition im Bezug auf das Alter Das Männchen ist in dem Alter geschlechtsreif, in dem es: 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.

Samenqualität bei Bullen puberal erstes Ejakulat zuchtreif minimale Anforderung 50 x 106 Spermien/Ejakulat >10% vorwärtsbewegliche Spermien 500 x 106 Spermien/ml   >50% vorwärtsbewegliche Spermien >80% morphologisch normale Spermien

Pubertätsalter (Monate) bei einigen Haustieren Spezies männlich weiblich Rind 11 (7 – 18) (9 – 24) Schaf 7 (6 – 9) (4 – 14)1 Schwein (5 – 8) 6 (5 – 7) Pferd 14 (10 – 24) 18 (12 – 19) 1saisonaler Einfluss

durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasse weiblich männlich Holstein-Friesian 8,5 9,0 Braunvieh 11,6 8,8 Angus 12,4 9,8 Hereford 13,0 10,8 Brahman 19,0 17,0

durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasse weiblich männlich Holstein-Friesian 8,5 9,0 Braunvieh 11,6 8,8 Angus 12,4 9,8 Hereford 13,0 10,8 Brahman 19,0 17,0

durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasse weiblich männlich Holstein-Friesian 8,5 9,0 Braunvieh 11,6 8,8 Angus 12,4 9,8 Hereford 13,0 10,8 Brahman 19,0 17,0

durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasse weiblich männlich Holstein-Friesian 8,5 9,0 Braunvieh 11,6 8,8 Angus 12,4 9,8 Hereford 13,0 10,8 Brahman 19,0 17,0

durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Einfluss der Rasse auf das Pubertätsalter bei Milch- und Fleischrindern durchschnittliches Pubertätsalter (Monate) Rasse weiblich männlich Holstein-Friesian 8,5 9,0 Braunvieh 11,6 8,8 Angus 12,4 9,8 Hereford 13,0 10,8 Brahman 19,0 17,0

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

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.

GnRH-Freisetzung beim postpuberalen männlichen Tier Die GnRH-Sekretion erfolgt pulsatil (alle 2 - 6 Stunden)  die LH-Sekretion ist dann ebenfalls pulsatil genauso wie die Testosteronfreisetzung

Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane

Neuroendokrine Regulation der männlichen Geschlechtsorgane

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

Endokrine Regulation - Spermatogenese 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.

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

Dauer der Spermatogenese bei einigen Haustieren und dem Menschen Gattung Dauer (Tage) Bulle 61 Eber 38 Hengst 57 Bock 47 Hund 54 Mensch 64

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

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.

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

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

Dauer der Nebenhodenpassage (Tage): Spermienreifung und –speicherung in Nebenhoden Dauer der Nebenhodenpassage (Tage): Spezies NH-Kopf NH-Körper NH-Schwanz Insgesamt Bulle 2 10 14 Eber 3 4-9 9-14 Hengst 1 6 9 Bock 8 12 Mensch 12-14

Spermaproduktion bei Haustieren und Menschen Spezies Hodenmasse, beide (Gramm) Spermienzahl pro Gramm testikuläres Gewebe 1 Spermienzahl pro Tag 2 Bulle, Milchrasse 650 18 x 10 6 10 x 10 9 Fleischrasse 500 8 x 10 Schafbock 3 550 26 x 1 14 x 10 Eber 750 30 x 10 25 x 10 Hengst 165 3 x 10 Mensch 40 4,25 x 10 45 – 207 x 10 1 “spermatogenic efficiency“ 2 “daily spermatozoal production“ 3 während der Zuchtsaison

Normale Ejakulatvolumen und Spermiendichte bei Haustieren und Menschen Spezies Ejakulatvolumen (ml) Spermienkonzentration ( x106/ml) Bulle 3 – 15 5 500 – 2500 1000 Schafbock 0,3 – 2,0 1,5 2000 – 4000 3000 Eber 100 – 500 150 50 –300 100 Hengst 25 – 200 60 30 – 800 120 Rüde 2 – 15 9 60- 300 Mensch 2 – 6 3 20 – 250 80

Spermientransport im weiblichen Genitale

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.

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

Phasen des Spermientransportes Zu 1. Er findet sofort nach der Belegung statt, nimmt 2 -.10 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.

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

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.

Sekretvolumina der akzessorischen Geschlechtsdrüsen 1 Spezies Volumen (ml) (Variationsbreite) Mittleres Herkunft der Hauptfraktionen Rind 2 - 10 4 Samenleiterampullen, Samenblasendrüsen Pferd 30 - 300 70 Samenleiterampullen Schwein 150 - 300 250 Prostata Bulbourethraldrüsen Schaf 0,7 - 2 1 Ziege 0,2 - 0,5 Hund 2 - 15 19 1nach Mann u. Lutwak-Mann (1981) u. Kolb (1984)

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

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

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.

Kapazitation und Akrosomreaktion