Michael Hölker
Michael Hölker interessiert sich für die Fortpflanzung und die frühembryonale Entwicklung bei Rindern. Der Tiermediziner leitet das Reproduktions-biotechnologische Labor am Versuchsgut Frankenforst in Königswinter, einem Ableger der Universität Bonn. Obwohl er sich in erster Linie als Grundlagenforscher sieht, stehen auch Methoden der Tierzucht im Fokus seiner Arbeit, beispielsweise der Infrafollikuläre Oozyten-Transfer (IFOT). Damit könnte man den weiblichen Einfluss in der Rinderzucht erhöhen. Wir haben nachgefragt.
Laborjournal: Sie forschen vor allem an Milchkühen und deren Zucht. Was hat sich da in den letzten Jahrzehnten verändert?
Michael Hölker: Bei den Milchkühen hat sich die Milchleistung in den letzten 60 Jahren verdoppelt. Und ihre Fruchtbarkeit hat sich im gleichen Zeitraum nahezu halbiert.
Woran liegt das?
Hölker: Die Gründe sind nicht ganz klar. Man weiß, dass eine hohe Milchleistung negativ mit der Fruchtbarkeit korreliert ist. Die hohe Milchleistung könnte einen direkten Einfluss auf die Fertilität ausüben, oder Genvarianten für Fruchtbarkeit gingen bei der züchterischen Selektion auf hohe Milchleistung verloren. Zusätzlich ist in den 50er Jahren die künstliche Besamung bei Rindern aufgekommen. Dies hat dazu geführt, dass wenige Bullen sehr, sehr viele Kühe befruchtet haben. Oder umgekehrt: dass viele Kälber am Ende von sehr wenigen Bullen abstammen. Daher ist nicht ausgeschlossen, dass dieser Rückgang der Fruchtbarkeit zu einem gewissen Grad auch auf Inzuchtdepression zurückzuführen ist.
Kann man abschätzen, wie verwandt heutige Rinder miteinander sind?
Hölker: Wenn Sie sich heute die 50 besten Zuchtbullen anschauen, dann hat die Hälfte davon den gleichen Vater. Und von denen wiederum hat noch mal die Hälfte denselben Großvater mütterlicherseits.
Ein Bulle, 10.000 Nachkommen
In der Rinderzucht werden die Kühe künstlich besamt. Als Alternative gibt es noch die Option der in-vitro-Befruchtung. Das ist deutlich aufwändiger als eine Besamung. Warum sind diese Verfahren dennoch interessant?
Hölker: Wie gesagt, in der Vergangenheit hatten einzelne männliche Tiere einen unglaublich großen Einfluss auf die Zucht. Da gibt es einzelne Bullen, die über 10.000 Kälber pro Jahr produzieren. Die Kühe hingegen konnten immer nur einen sehr geringen Einfluss auf die Zucht ausüben, denn jede Kuh bekommt normalerweise nur ein Kalb pro Jahr – und somit meist weniger als vier Kälber in ihrem Leben. Den züchterischen Einfluss der Kuh hat man aber durch den klassischen Embryotransfer steigern können, indem man Kühe superovuliert.
Superovulation, das bedeutet: Induziert durch Hormongabe lässt eine einzige Kuh pro Eisprung gleich mehrere Oozyten reifen. Die kann man dann besamen und die Embryonen nach sieben Tagen entnehmen und jeweils einem anderen Empfängertier einsetzen. So kann eine einzige Kuh mehr Nachkommen produzieren, als sie selbst austragen könnte.
Hölker: Richtig. Mit dem Embryotransfer könnte eine Kuh dann eventuell um die 50 Embryonen pro Jahr produzieren, aus denen am Ende vielleicht 30 Kälber entstehen. Anstelle der Blastozysten kann man aber auch schon die Eizellen gewinnen. Dazu wurde das Ovum Pick Up eingeführt. Dabei saugt man Eizellen direkt vom Eierstock der lebenden Kuh ab. Die müssen dann aber noch 24 Stunden im Brutschrank reifen, bevor man sie im Reagenzglas befruchten kann. Für experimentelle Fragestellungen entnehmen wir die Eizellen aber aus Schlachthofovarien.
Knackpunkt: Die Qualität der Eizelle
Sie wollen ja herausfinden, warum die Zucht der Kühe so problematisch ist. Was schauen Sie sich da an?
Hölker: Man hat festgestellt: Wenn man die Kühe etwa ab dem 50. Tag nach der Geburt des letzten Kalbes besamt, dann kommt es in 90 Prozent der Fälle zu einer Befruchtung. Rund 60 bis 70 Prozent dieser Embryonen entwickeln sich auch bis zu einem typischen Stadium, dem elongierten Embryo an Tag 16. Aber davon gehen dann wieder 30 bis 40 Prozent zugrunde und führen zu keinem Kalb. Und woran das liegt, weiß man noch nicht vollständig. Ist die Entwicklungsumgebung in der Gebärmutter für den Embryo unpassend? Oder ist der Embryo selber von seiner inneren Qualität her ungenügend?
2012 haben Sie sich das Entwicklungspotential von Rinderembryonen angeschaut. Das war eine reine in-vitro-Studie (Biol Reprod. 2012 Dec 27;87(6):154).
Hölker: Genau. In dem Paper haben wir gezeigt, dass die spätere Entwicklungskompetenz schon im Zweizellstadium festgelegt ist. Das war ein sehr starker Hinweis darauf, dass die Eizellqualität relevant ist. Das deutet darauf hin, dass die hochleistenden Kühe Eizellen mit reduziertem Entwicklungspotential produzieren.
Das sollten wir kurz erklären: Sie haben den Embryo im Zweizellstadium geteilt. Eine Blastomere haben Sie dann für Transkriptionsanalysen weggefroren, die andere durfte sich entwickeln. Zuvor hatten Sie gezeigt, dass sich die beiden Schwesterblastomeren auch wirklich ähnlich entwickeln.
Hölker: Genau, das war quasi der wissenschaftliche Trick. Denn wenn ich den Embryo nicht teile, kann ich den zwar molekulargenetisch untersuchen. Aber ich habe dann keine Information hinsichtlich der späteren Entwicklung; denn der Embryo ist dann ja weg, da er für die molekulargenetische Analyse benötigt wird.
Eizellreifung optimieren - aber wie?
Sie haben dann gezeigt, dass die Embryonen, die früh sterben, bereits im Zweizellstadium andere RNA-Profile hatten. Da wäre es doch vorteilhaft, wenn man künftig vor der Befruchtung die Eizellen irgendwie screenen könnte, ohne sie abzutöten.
Hölker: Ich glaube, in der praktischen Zucht würde man das nicht machen. Bei der künstlichen Besamung kommen wir ohnehin nicht an die Eizelle dran, und wenn wir Embryonen in vitro produzieren, dann brauchen wir auch nicht im Zweizellstadium screenen. Wir warten bis Tag sieben, ob sich der Embryo bis zur Blastocyste entwickelt. Nur dann transferieren wir ihn in eine Kuh. Nein, diese Studie zeigt einfach: wenn wir die Fruchtbarkeit von Milchkühen verbessern wollen, dann müssen wir die Eizellreifung im Follikel bei den Kühen verbessern.
Und wie macht man das?
Hölker: Das ist die große Frage, das ist im Moment Gegenstand intensiver Forschung. Wahrscheinlich müssen wir die Fütterung verbessern. Wir wissen, dass Kühe kurz nach dem Abkalben in der ersten und zweiten Woche eine stark negative Energiebilanz aufweisen. Die Milchproduktion steigt schlagartig auf 50 bis 60 Liter an, und die Kühe sind noch nicht daran gewöhnt, die dazu benötigte Futtermenge aufzunehmen. Die Eizelle wiederum braucht eine gewisse Zeit, bis sie im Eierstock herangewachsen ist. Und wenn die Kuh in dieser Zeit eine solche negative Energiebilanz aufweist, dann gelangen freie Fettsäuren in den Blutkreislauf.
Diese freien Fettsäuren werden auch vom Embryo verstoffwechselt, verursachen bei diesem aber metabolischen Stress. Das konnten wir auch in unseren Experimenten simulieren, indem wir diese freien Fettsäuren zum Kulturmedium gegeben haben. Dann sehen wir, dass die Embryonen in vitro eine schlechtere Entwicklungsrate und eine schlechtere Qualität aufweisen.
Im letzten Jahr haben Sie ein Paper zu einer besonderen Methode veröffentlicht. Es geht um den Infrafollikulären Oozyten-Transfer, kurz: IFOT (Biol Reprod June 2015 92 (6) 150, 1-14).
Ja, da waren wir die ersten, die dieses Verfahren erfolgreich im Rind angewendet haben und zeigen konnten, dass es überhaupt bei diesen Tieren funktioniert. Das ist ein Novum.
IFOT: Eizellen draufpacken
Was ist IFOT?
Hölker: Normalerweise haben Sie auf dem Eierstock der Kuh einen dominanten Follikel. Der setzt dann eine Eizelle frei, die in den Eileiter gelangt. Im Eileiter wird sie befruchtet und nistet sich nach Abstieg in die Gebärmutter ein. Jetzt haben wir in unseren Modellen Zugriff auf Schlachthofovarien und bekommen so eine hohe Anzahl von Eizellen. Diese Eizellen können wir in den dominanten Follikel einer lebenden Kuh injizieren. IFOT ist also quasi das Gegenteil von Ovum Pick Up. Man setzt Eizellen ein, statt sie herauszunehmen. Man sollte erwähnen, dass man beim IFOT an die hundert Eizellen in einen Follikel injizieren kann. Und tatsächlich: Wenn dieser Follikel dann ovuliert, werden diese Eizellen in den Eileiter transportiert. Dort werden sie dann auch befruchtet, wenn man das Tier besamt. Sieben Tage später gewinnen wir die Embryonen dann durch eine Uterusspülung zurück.
Der Trick aus wissenschaftlicher Sicht ist, dass wir eine fast vollständige in vivo-Entwicklung haben. Diese Embryonen haben eine Qualität als wären sie aus eigenen Eizellen hervorgegangen. Diese Studie hat also deutlich gezeigt, dass die Qualität der Embryonen, was das Entwicklungspotential ab der Blastocyste betrifft, von der Entwicklungsumgebung abhängt, also Ovar, Eileiter und Gebärmutter. Der Anteil der Eizellen aber, die sich überhaupt bis zur Blastozyste entwickeln, hat sich allerdings durch IFOT nicht erhöht.
Was macht die per IFOT produzierten Embryonen besser im Vergleich zu solchen, die in vitro im Labor gezeugt worden sind?
Hölker: Zum Beispiel ist das Einfrieren bei in vitro produzierten Embryonen kritisch. Die kann man nach Kryokonservierung ab Tag sieben in flüssigem Stickstoff fast beliebig lange lagern. Später taut man sie auf und kann sie transferieren. Die in vitro-Embryonen vertragen dieses Einfrieren aber ganz schlecht. Da habe ich dann nach Übertragung vielleicht eine Trächtigkeitsrate von 35 bis 40 Prozent. Aber ein IFOT-Embryo, der sich in einer Kuh entwickelt hat, hat nach dem Einfrieren eine Chance von etwa 70 Prozent, dass er zu einer Trächtigkeit führt. Die Überlebensrate nach der Stickstoff-Lagerung ist also doppelt so hoch wie bei in vitro-Embryonen. Mit Hilfe von IFOT kann man also deutlich mehr Nachkommen einer bestimmten Kuh produzieren. Den züchterischen Einfluss einer einzelnen Kuh könnte man so deutlich steigern, wenn also aus der genetisch wertvollsten Kuh zum Beispiel 100 Embryonen durch IFOT generiert würden.
Interview: Mario Rembold
Foto: Michael Hölker / Privat