Biotechnologie bei Nutztieren 1

Die Domestizierung von Nutztieren, die vor 12.000 bis 15.000 Jahren im Nahen Osten begann, war eine bahnbrechende Errungenschaft in der menschlichen Entwicklung, die den Grundstein für die Landwirtschaft, wie wir sie heute kennen, legte. Ursprünglich wurden die domestizierten Tiere nach ihrem Phänotyp und/oder spezifischen Merkmalen ausgewählt, die an das lokale Klima und Produktionssystem angepasst waren. Die heute verwendeten wissenschaftlich fundierten Zuchtsysteme haben ihren Ursprung in der Einführung statistischer Methoden im 16. Jahrhundert, die einen quantitativen Ansatz für die selektive Züchtung nach bestimmten Merkmalen ermöglichten. Mit der Verfügbarkeit genauer und zuverlässiger DNA-Analysen wurde dieser quantitative Ansatz auf DNA-basierte Zuchtkonzepte ausgeweitet, die eine kostengünstigere, aber dennoch quantitative Bestimmung des genomischen Zuchtwerts (GBV) für einzelne Tiere ermöglichen.

Die Auswirkungen dieser Entwicklungen wurden durch die Einführung von Fortpflanzungstechnologien, die den genetischen Einfluss überlegener Einzeltiere ausweiten, dramatisch verstärkt. Die erste dieser Technologien war die künstliche Besamung (KB), die im späten neunzehnten Jahrhundert entwickelt wurde. Die Einführung der künstlichen Besamung in der Industrie verlief zunächst schleppend, nahm aber nach der Entwicklung von Spermaverdünnern, der Verringerung des Risikos von Geschlechtskrankheiten durch den Einsatz von Antibiotika und vor allem nach der Entwicklung wirksamer Gefrier- und Kryolagerungsverfahren in der Mitte des 20. Jahrhunderts. Die künstliche Besamung wird heute in den meisten Viehzuchtbetrieben eingesetzt, vor allem in der Milchwirtschaft, wo in Ländern mit modernen Zuchtstrukturen mehr als 90 % der Milchkühe durch künstliche Besamung erzeugt werden.

Der Embryotransfer (ET), eine Technologie, die erstmals die Nutzung des weiblichen Genpools ermöglichte, wurde durch die großen Fortschritte in den Biowissenschaften in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts ermöglicht. Fortschritte im Verständnis des Reproduktionszyklus und seiner hormonellen Steuerung, die Verfügbarkeit von gereinigten Gonadotropinen und verbesserte Zell- und Embryokulturverfahren spielten dabei eine wichtige Rolle. Die ET wird nun zunehmend in der Spitzenzucht eingesetzt, insbesondere bei den besten 1-2 % einer bestimmten Rinderpopulation. Die wirkliche Wirkung wird aber erst noch kommen, da der ET der Schlüssel zur Einführung der nächsten Generation verbesserter Zuchttechnologien ist. Die ET hat bereits eine Schlüsselrolle bei Fortschritten wie der In-vitro-Produktion von Embryonen, der Geschlechtsbestimmung, dem Klonen und der Transgenese gespielt. Mit der Geburt des geklonten Schafs „Dolly“ im Jahr 1996 wurde ein jahrhundertealtes Dogma in der Biologie aufgehoben, das besagte, dass eine differenzierte Zelle nicht in ein pluripotentes Stadium umprogrammiert werden kann. Dank der jüngsten Entwicklungen in der molekularen Zellbiologie sind die verfügbaren Protokolle heute effizient genug, um die kommerzielle Anwendung des somatischen Klonens bei den wichtigsten Nutztierarten zu ermöglichen. Dies wird nicht nur die Rate des genetischen Zuwachses in Herden und Beständen weiter erhöhen, sondern durch das jüngste Aufkommen präziser Genom-Editing-Werkzeuge auch die Erzeugung neuartiger Keimlinien für landwirtschaftliche und biomedizinische Zwecke ermöglichen, da Nutztiere mit hoher Effizienz gezielt genetisch verändert werden können. Dies ebnet den Weg für die Einführung von Konzepten der Präzisionszüchtung, die erforderlich sind, um auf die künftigen Herausforderungen in der Tierzucht zu reagieren, die sich aus der Anpassung der Anforderungen des anhaltenden Bevölkerungswachstums an die begrenzte Verfügbarkeit von Ackerland und an Umweltauflagen ergeben.

Landwirtschaftliche Tiere müssen per Definition nützlich sein. Es gibt Dutzende von wünschenswerten landwirtschaftlichen Phänotypen, sogar innerhalb einer Art, und sie variieren je nach den Hunderten von landwirtschaftlichen Umgebungen auf unserem Planeten. Im Laufe der Domestizierung und Haltung von Tieren haben sich die Phänotypen ständig weiterentwickelt, ein Prozess, der sich im letzten Jahrhundert beschleunigt hat. Die Festlegung wünschenswerter Phänotypen künftiger Nutztiere ist äußerst komplex geworden und umfasst nun auch Merkmale wie den Kohlenstoff-Fußabdruck, die Minimierung von Treibhausgasen und die Anpassung von Methoden und Produkten an die Wünsche von Verbrauchern und Aktivisten, von denen viele keinen Bezug zur Landwirtschaft haben.

Zu den Instrumenten, mit denen sich phänotypische Verbesserungen bei Tieren erzielen lassen, gehören immer leistungsfähigere Biotechnologien, die manchmal überbewertet werden. In einigen Fällen treiben die Biotechnologien sogar die Phänotypen voran, wie zum Beispiel das Sperma von Milchbullen, das die Kryokonservierung besser verträgt, da Bullen, deren Sperma die Kryokonservierung nicht verträgt, aufgrund der extensiven Nutzung der künstlichen Besamung mit gefrorenem Sperma nur wenige Nachkommen hinterlassen. In jedem Fall sind Biotechnologien Werkzeuge und sollten zum Nutzen der Menschen und der Tiere eingesetzt werden. Jede Änderung in der Tierhaltung ist mit Kosten verbunden (auch wenn man nichts ändert), und das Verhältnis zwischen Nutzen und Kosten sollte bei der Bewertung einer Änderung im Vordergrund stehen. Bei der Bewertung von Biotechnologien müssen sowohl die Vorteile, wie z. B. die Tatsache, dass durch den Einsatz der künstlichen Besamung viel weniger Menschen durch Stiere getötet werden, als auch die Kosten, wie z. B. die Unannehmlichkeiten für die Tiere aufgrund der Stallhaltung, berücksichtigt werden. Die Frage, ob die Technologie von einem Unternehmen oder einer gemeinnützigen Organisation entwickelt wurde oder ob die DNA im Labor verändert wurde oder ob es sich um eine „natürliche“ Mutation handelt, sollte im Vergleich zur Wirksamkeit, der Minimierung unerwünschter Nebenwirkungen und dem, was für die Tiere und die Umwelt am besten ist, eine untergeordnete Rolle spielen.

Die künstliche Besamung (KB) ist die Schlüsseltechnologie in der Nutztierhaltung zur Erzielung genetischen Fortschritts und zur Erhaltung der genetischen Vielfalt. Sie ist auch ein grundlegendes Instrument für fortgeschrittene assistierte Reproduktionstechnologien bei Tierarten. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Stand der Technik und die aktuellen Entwicklungen im Bereich der künstlichen Besamung, einschließlich der wichtigsten Schritte, d. h. Samengewinnung, -bewertung und -konservierung, sowie der verschiedenen Besamungsstrategien. Vor dem Hintergrund neuer molekularer Techniken werden die Möglichkeiten dieser Biotechnologie der ersten Generation bei Haus- und Wildtierarten aufgezeigt.

Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) hat die Erzeugung Tieren mit vorherbestimmten Geschlecht durch Geschlechtsbestimmung von Sperma oder Embryonen als nützliches Züchtungsinstrument zur Steigerung der Produktionseffizienz anerkannt, insbesondere bei geschlechtsspezifischen Merkmalen. In diesem Kapitel erläutern wir kurz die Geschlechtsbestimmung bei Säugetieren, geben einen Überblick über Ansätze zur Identifizierung von X- und Y-Chromosom-tragenden Spermien und deren praktische Auswirkungen auf die Samenbehandlung und die künstliche Besamung (KB) und vergleichen deren Bedeutung und Erfolg bei den wichtigsten Nutztierarten. Anschließend werden die mit der derzeitigen Technologie zur Geschlechtsbestimmung von Spermien verbundenen Probleme, die sich in der Schädigung von Säugetierspermien widerspiegeln, betrachtet, gefolgt von einer Bewertung des Potenzials für den Ersatz dieser Technologie durch andere Methoden.

Obwohl die ersten Embryotransfers bei Säugetieren vor mehr als 100 Jahren stattfanden, kam der kommerzielle Rinderembryotransfer Anfang der 1970er-Jahre mit der Einfuhr europäischer Rinderrassen nach Nordamerika auf. Seitdem hat der kommerzielle Rinderembryotransfer weltweit zugenommen, und im Jahr 2016 wurden etwa eine Million Rinderembryonen transferiert und mehrere Tausend Embryonen international transportiert. Da in-vivo generierte Rinderembryonen durch Waschverfahren spezifiziert pathogenfrei gemacht werden können, sind sie das ideale Mittel, um Tiergenetik in die ganze Welt zu bringen. Die Techniken des Embryotransfers haben sich im Laufe der Jahre verbessert, so dass neue Methoden zur Kontrolle der Eierstockfunktion die Superstimulation der Spenderinnen und die Synchronisation der Empfängerinnen erleichtern und nicht-chirurgische Verfahren den Embryotransfer auf dem Bauernhof ermöglichen.

In den letzten Jahrzehnten haben kleine Wiederkäuer immer mehr an Bedeutung gewonnen, und die Zahl der Schaf- und Ziegenrassen und ihre geografische Verbreitung nehmen ständig zu. Ein wichtiges Merkmal der kleinen Wiederkäuer ist, dass sie auf Flächen leben und produzieren können, die für andere Formen der Landwirtschaft ungünstig sind. Die Zunahme der Zucht kleiner Wiederkäuer wurde in jüngster Zeit durch die Entwicklung und Verbesserung der assistierten Reproduktionstechnologien (ART) unterstützt. Während jedoch einige ARTs wie die Östrusinduktion, die Östrussynchronisation und die künstliche Besamung weit verbreitet sind, werden andere ARTs wie die Superovulation und der Embryotransfer, die In-vitro-Embryonenproduktion und die Kryokonservierung von Embryonen nur selten eingesetzt. Programme zur multiplen Ovulation und zum Embryotransfer (MOET) bei kleinen Wiederkäuern sind in der Regel auf wenige Länder beschränkt und befinden sich noch im Versuchsstadium. Der Erfolg dieser Technik ist aufgrund zahlreicher einschränkender Faktoren, die zu den Gesamtergebnissen beitragen, nicht vorhersehbar, wie z. B. die saisonale Reproduktionsabhängigkeit mit einer langen, natürlich auftretenden Anöstrusperiode, die hohe Variabilität der superovulatorischen Reaktion, Befruchtungsausfälle und die Notwendigkeit eines chirurgischen Eingriffs für die Entnahme und den Transfer von Gameten und Embryonen. Die jüngsten Fortschritte beim besseren Verständnis der Follikelwellenmuster, die Klärung der Follikeldominanz und die Integration dieser Informationen in die Superovulationsbehandlungen tragen jedoch entscheidend dazu bei, ein gutes Ansprechen vorherzusagen und die Variabilität zu verringern. Es wurden Protokolle zur Kontrolle der Follikeldominanz entwickelt, um die Einleitung präziser Hyperstimulationsprotokolle zu ermöglichen, die darauf abzielen, einen homogenen Pool kleiner Follikel zu rekrutieren und zu stimulieren, die auf Gonadotropin ansprechen, wodurch die superovulatorische Reaktion und die Embryoausbeute verbessert werden. Bedeutende Verbesserungen bei der Entwicklung nicht-chirurgischer Techniken ebnen den Weg zur Verringerung des Stresses und der Kosten für die Spenderinnen und das Management der Empfängerinnen, was auf die mögliche wiederholte Verwendung von Einzelspenderinnen hindeutet. Darüber hinaus eröffnen die Fortschritte bei der Erzeugung von IVP-Embryonen aus adulten und juvenilen Tieren in Verbindung mit der genomischen Analyse wirtschaftlich produktiver vEigenschaften neue Perspektiven und könnten zur Verbesserung der MOET-Programme bei kleinen Wiederkäuern beitragen.

Der Embryotransfer (ET) wurde in der Schweineindustrie mit der Geburt der ersten lebenden ET-Ferkel im Jahr 1950 Realität. Seit dieser Pionierleistung vor mehr als 68 Jahren haben sich der ET bei Schweinen und die damit verbundenen Technologien erheblich weiterentwickelt. Obwohl der Umfang der kommerziellen ET-Aktivitäten bei Schweinen im Vergleich zu denen bei Rindern gering ist, finden in privaten Unternehmen und Instituten, die sich mit biomedizinischer Forschung befassen, beträchtliche Aktivitäten im Bereich des ET bei Schweinen statt. Die In-vitro-Produktion von Schweineembryonen hat diejenige von in vivo gewonnenen Embryonen bei weitem übertroffen, und die Entwicklung nicht-chirurgischer Methoden für den Transfer von Schweineembryonen hat die Tür zu einer potenziell weit verbreiteten kommerziellen Anwendung des ET bei Schweinen geöffnet. Die historische Unfähigkeit, Schweineembryonen kryokonservieren zu können, wurde durch die Entwicklung von Protokollen für die Vitrifikation von Schweineembryonen weitgehend überwunden. Die Schaffung von genetisch veränderten Schweinen durch somatischen Zellkerntransfer oder Genom-Editing-Technologien hängt von einem erfolgreichen ET ab, und die Bedürfnisse der biomedizinischen Forschungsgemeinschaft werden wahrscheinlich den Anstoß für weitere Verfeinerungen der Schweine-ET-Technologien geben.

Der Embryotransfer hat sich in der Pferdezucht weltweit zu einem gängigen Verfahren entwickelt. Es ermöglicht die effiziente Nutzung wertvoller Stuten und von Stuten, die an sportlichen Wettkämpfen teilnehmen. Darüber hinaus können Stuten mit Fortpflanzungsproblemen gesunden Empfängern Embryonen spenden. In dieser Übersicht werden Techniken für die Embryoentnahme und den Transfer zum Empfänger, Methoden für den Transport und die Kryokonservierung sowie Superovulationsverfahren beschrieben. Es werden die Auswirkungen spezifischer Verfahren auf die Erfolgsquoten bei der Embryoentnahme und den Trächtigkeiten erörtert sowie die Faktoren, die sich auf die Nachkommenschaft auswirken. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf neuere biotechnologische Technologien wie Präimplantationsdiagnostik und In-vitro-Embryonenproduktion gegeben.

Die finale Reifung des Follikels, der Eisprung und die frühe Embryonalentwicklung sind hochdynamische Prozesse, die letztlich zur Entstehung einer Trächtigkeit und zur Geburt gesunder Nachkommen führen. Alle intrinsischen oder extrinsischen Veränderungen der Umweltbedingungen in vivo und in vitro, einschließlich der durch exogene hormonelle Stimulation verursachten Abweichungen, können sich negativ auf die Entwicklung des Konzeptus auswirken. Bislang haben viele Technologien wichtige Informationen geliefert, die zu unserem Wissen über die frühe Embryonalentwicklung beitragen. Unter diesen Techniken spielt die Endoskopie, die sich durch einen minimalinvasiven transvaginalen Zugang zur Bauchhöhle auszeichnet, eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der Reproduktionsprozesse. Einmal etabliert, ermöglicht die Endoskopie die direkte Visualisierung der Oberfläche von Eierstöcken, Eileitern und Gebärmutterhörnern in Abhängigkeit von pathophysiologischen Veränderungen und ermöglicht die Entnahme und den Transfer von Eizellen und Embryonen in verschiedenen Entwicklungsstadien. Diese Technologie eignet sich besonders gut für die Kombination von In-vivo- und In-vitro-Embryonen-Kultivierung, um kritische Kontrollpunkte dieses Prozesses zu ermitteln. Diese Art des Transfers vom Labor zum Tier und zurück bietet eine einzigartige Möglichkeit, neue Designs zu entwickeln und das Verständnis für frühe reproduktive Ereignisse zu verbessern.

Seit etwa drei Jahrzehnten wird die transvaginale ultraschallgesteuerte Eizellentnahme (OPU, ovum pick-up) erfolgreich von der menschlichen Reproduktionsmedizin auf die Anwendung bei Rindern und später beim Pferd übertragen. Im Laufe der Zeit erwies sie sich als zuverlässige und minimalinvasive Methode zur wiederholten Gewinnung von (unreifen) Eizellen von genetisch sehr wertvollen Spenderinnen. Zwar hängt der Erfolg dieses Verfahrens zu einem großen Teil von der Verfügbarkeit eines zuverlässigen Systems für die In-vitro-Embryonenproduktion ab, aber eine wichtige Voraussetzung ist nach wie vor die Gewinnung von Eizellen guter Qualität. Das vorliegende Kapitel befasst sich speziell mit der Technologie der Eizellentnahme. Nach einer detaillierten Beschreibung der OPU-Ausrüstung werden die technischen und biologischen Faktoren, die sich auf die Eizellgewinnung bei lebenden Spendern auswirken, ausführlich erörtert, wobei ein besonderes Augenmerk auf die notwendige Vorbereitung der Spender durch hormonelle Stimulation gelegt wird. Auch Fragen der Spendergesundheit im Zusammenhang mit der wiederholten Entnahme von Eizellen werden behandelt. Schließlich wird der aktuelle Stand der Technik bei der OPU bei der Stute dargestellt, wobei zusätzliche physiologische Aspekte der Pferdeeizelle und des Embryos beschrieben werden, die zusätzliche Herausforderungen sowohl für die Eizellentnahme als auch für die In-vitro-Embryonenproduktion darstellen.

Die Kryokonservierung ist die praktische Umsetzung des wissenschaftlichen Gebiets der Kryobiologie. Sie wurde vor allem in den letzten zwei Jahrhunderten entwickelt und hat wichtige Meilensteine im Bereich der Tierreproduktion gesetzt. Technologien wie das gerichtete Einfrieren von Spermien und die Spermientrocknung sowie das Einfrieren von Eizellen und Embryonen und die Vitrifikation werden in diesem Kapitel diskutiert und beschrieben. Nachfolgend beschreiben wir die wichtigsten Durchbrüche der letzten zwei Jahrhunderte und die Aussichten für die nahe Zukunft.

In den letzten Jahrzehnten wurde die In-vitro-Erzeugung (IVP) von Rinderembryonen erheblich verbessert, und insbesondere die IVP von Rindern wird jetzt in großem Umfang unter Feldbedingungen angewendet. Diese In-vitro-Technik bietet den Rinderzüchtern, insbesondere in der Milchwirtschaft, neue Möglichkeiten, die Unfruchtbarkeit zu überwinden und die Verbreitung von Tieren mit hohem genetischem Wert zu steigern. Die Verbesserungen bei OPU/IVP führten zu einer groß angelegten internationalen Vermarktung. Jährlich werden mehr als eine halbe Million IVP-Embryonen erzeugt, was das enorme Potenzial dieser Technologie zeigt. Diese Fortschritte und die Tatsache, dass die frühe Entwicklung von Rindern und Menschen bemerkenswert ähnlich ist, haben dazu geführt, dass Rinderembryonen als Modellsystem für die Untersuchung der frühen Embryogenese von Säugetieren einschließlich des Menschen verwendet werden. Bei Pferden ist die OPU/IVP ebenfalls ein etabliertes Verfahren für die ganzjährige Zucht unfruchtbarer und Sport-Stuten. Es erfordert ICSI, da die herkömmliche IVF bei dieser Tierart nicht funktioniert. Bei kleinen Wiederkäuern ist die Anwendung der IVP auf kommerzieller und wissenschaftlicher Basis im Vergleich zu anderen Nutztierarten gering.

Trotz aller Verbesserungen unterscheiden sich in vitro erzeugte Embryonen nach wie vor von ihren in vivo gezeugten Gegenstücken. Embryonen müssen sich in den Präimplantationsstadien an verschiedene Mikroumgebungen anpassen. Folglich wird die Beibehaltung oder Nachahmung der In-vivo-Situation in vitro dazu beitragen, die Qualität und Entwicklungsfähigkeit des entstehenden Embryos zu verbessern.

Die erfolgreiche klinische Anwendung der Techniken der Reproduktionsbiotechnologie erfordert sowohl artspezifische klinische Kenntnisse als auch umfangreiche Laborerfahrung.