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4. Ergebnisse

5.7 Abschließende Beurteilung

Die Lumineszenzmessung ist eine schnelle und effektive Bestimmung des Energiestatus von Spermien (MÖNCH-TEGEDER, 2011b). Sie gibt Aufschluss über den Energiestoffwechsel der Spermien. So können Ejakulate mit einem geringen ATP-Gehalt bereits vor dem Sortierprozess selektiert werden, da die Qualität des Ausgangsejakulates einen hohen Einfluss auf den ATP-Gehalt und die

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Lebensfähigkeit der Spermien nach dem Sortiervorgang haben (MÖNCH-TEGEDER, 2011a). Zudem ist die Lumineszenzbestimmung eine robuste Methode, die die Laborroutine durch ihre geringe Störanfälligkeit ergänzen kann.

In vielen Untersuchungen wurde gezeigt, dass gesortetes Sperma eine geringere Lebensdauer als unsortiertes Sperma besitzt (SEIDEL undJOHNSON,1999,RATH et al., 2003B, KLINC, 2005, SPINACI et al., 2005). Gesextes Sperma hat durch die gleichzeitige Selektion auf intakte Spermien eine hohe Gesamtmotilität, aber der ATP-Gehalt lässt darauf schließen, dass der Energiehaushalt durch den Sortierprozess herabgesetzt wird. Während die Standardmotilitätsparameter kaum eine direkte Aussage bezüglich des Energiehaushaltes der Spermien zulassen, zeigt die Lumineszenzmessung einen herabgesetzten ATP-Gehalt bereits bei geringeren Änderungen an und gibt Hinweise auf die Lebensfähigkeit der Spermien.

Weitere Verarbeitungsschritte des Sortierprozesses können Beschädigungen an den Spermien hervorrufen. Diese sind zum Beispiel mechanische Scherkräfte, die während der Passage des Sortiergerätes die Spermien beeinträchtigen oder auch die Höhe des Druckes, mit dem die Spermien durch den Sorter geleitet werden um dann mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 km/h in das Sammelgefäß befördert zu werden. Zusätzlich kann auch die abschließende Zentrifugation die Lebensfähigkeit der Spermien negativ beeinflussen (MAXWELL undJOHNSON,1999,RATH et al.,2013).

Diese Bearbeitungsschritte gilt es im Hinblick auf die Integrität des Schwanzmittelstücks der Spermien durch ATP-Messung und Standardmotilitätswerte weiter zu analysieren. Die ATP-Messung gibt auch bereits vor einem Thermoresistenztest eine Aussage über den Energiestatus der gesorteten Spermien im Vergleich zur unbehandelten Gruppe an. SUH et al. (2005) konnten zeigen, dass durch die Deaktivierung des piezoelektrischen Kristalls, welcher zur Vereinzelung der Spermien im Sortierprozess benötigt wird, die Lebensfähigkeit der Spermien erhöht werden kann. Die Vereinzelung der Spermien im Flüssigkeitsstrom sowie Scherkräfte während der hydrodynamischen Fokussierung, stellen weitere Stationen im Sortierprozess dar, die durch die ATP Messungen als verbesserungswürdig identifiziert wurden. Der hier verwendete Verdünner Sexcess® wurde speziell für die

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Behandlung von gesorteten Spermien entwickelt und zeigte in anderen Untersuchungen bereits seine positiven Eigenschaften (KLINC, 2005, MÖNCH -TEGEDER, 2011a). Die Bestimmung des ATP-Gehaltes ist auch in Verdünnern mit oben genannten Zusätzen ohne Beeinträchtigung der Lumineszenzmessung möglich. Ihr Vorteil liegt darin, dass im Vergleich zur CASA-Messung und Ermittlung des MMP kein weiterer Farbstoffzusatz nötig ist, der die Funktionalität der Spermien negativ beeinflussen könnte.

90 6. Zusammenfassung

Stephanie Sander

Luminometrische Verlaufskontrolle des ATP-Gehaltes von flowzytometrisch geschlechtsdifferenzierten bovinen Spermien

Die momentan einzige Möglichkeit, Spermien mit einer hohen Exaktheit nach ihren geschlechtsbestimmenden Eigenschaften zu sortieren, ist die Beltsville Sperm Sexing Technology® mittels Flowzytometrie. Obwohl diese Technik zuverlässig ist und in der Rinderzucht mittlerweile kommerziell genutzt wird, variiert die Qualität des gesexten Spermas nicht nur zwischen verschiedenen Bullen, sondern auch zwischen unterschiedlichen Ejakulaten. In dieser Arbeit wurde der Energiehaushalt der Spermien mittels eines ATP-Lumineszenz-Testes untersucht, um Stressfaktoren während des Sortierprozesses auf die Mitochondrien nachzuweisen. Dazu wurden verschiedene Schritte des Sortingprozesses, im Besonderen der Effekt durch den Hoechst 33342 Farbstoff, die elektrische Spannung, die elektrostatische Ablenkung und die Laserexposition im Vergleich zwischen unsortiertem und sortiertem Sperma untersucht.

Ergebnisse: Die geschlechtsspezifische Sortierung von Spermien im Flowzytometer hat einen signifikanten negativen Einfluss auf ihren ATP-Gehalt, obwohl die Motilität nach dem Sortieren zunächst erhöht ist, was auf die Hyperaktivierung durch die beginnende Kapazitation und die Selektion von membranintakten Spermien zurück zu führen ist. Ein positiver Effekt auf den ATP-Gehalt der Spermien und ihre Motilität wurde durch den Einsatz des Sexcess® Verdünners erzielt. Weder die Anfärbung mit Hoechst 33342 noch die Minimierung der mechanischen Kräfte des Piezokristalls auf den Flüssigkeitsstrom der Spermien bewirkte signifikante Veränderungen in Bezug

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auf den Energiegehalt. Die Deaktivierung der elektrostatischen Ablenkung führte zu einer geringeren ATP-Produktion, welches der fehlenden Hyperaktivierung zuzuschreiben ist. Der ATP-Gehalt und die Gesamtmotilität der Versuchsgruppe, die ohne Laser den Sorter passiert hatte, waren signifikant geringer im Vergleich zur standardsortierten Gruppe. Ohne den Laser konnte ein aussortieren der membrandefekten Spermien nicht stattfinden, was zu einem insgesamt geringeren ATP-Gehalt dieser Versuchsgruppe führte.

Zusammenfassend ergibt sich, dass die Bestimmung des ATP-Gehaltes die Motilitätsdiagnose mittels CASA-System ergänzen kann und eine frühe Aussage zum Energiehaushalt der eingesetzten Spermien zulässt.

92 7. Summary

Stephanie Sander

Luminometric study of the ATP-content in flow cytometrically sorted bovine sperm

So far, only Beltsville Sperm Sexing Technology® based on flow cytometry is able to separate X- and Y- chromosome bearing sperm with high accuracy. Although the technique is reliable and has been introduced into bovine breeding strategies, qualities of sorted sperm vary not only among bulls but also among ejaculates. As standard sperm quality assessments do not allow a secure prediction of whether sorted sperm are fully fertile, it is necessary to include further sensitive methods to predict fertility. Therefore, the energy balance was tested by a recently developed luminescence ATP test to identify stress factors on sperm mitochondria during different steps of flow cytometrical sorting. Especially, effects of Hoechst 33342 dye, piezo crystal forces, electrostatic deflection, and laser exposure were studied and compared to non-sorted and standard sorted sperm.

Results: The sorting process has a significant negative impact on the ATP content of sorted sperm. However motility was increased significantly after sorting mainly due to hyperactivation caused by capacitation and presumably by selection of membrane intact and viable sperm during the sorting process. A positive effect on ATP content and motility was also seen, when sperm were processed in Sexcess® catch fluid and diluter. The use of Hoechst 33342 as well as minimzed forces caused by the piezo crystal movements did not show any significant effect on the energy release and sperm motility. The deactivation of the electrical deflection kept ATP production on a low level, presumably due to absence of hyper activation. All over ATP production

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and degree of motility in sperm passing the sorter with deactivated laser was significantly lower as compared to the normal sorted group. With a deactivated laser not only sex related sorting is impossible, separation of membrane defect sperm will not take place and reduce the mean ATP content of the total sperm group.

In conclusion, the measurement of ATP content supplements the motility diagnostic of CASA-systems and provides an early judgement of the energy balance and the lifespan of sex sorted bovine sperm.

94 8. Literaturverzeichnis

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