Dieser Beitrag gibt dazu einen groben Überblick. Vom Aufbau eines Spermiums, wie es sich im Laufe des Lebens verändert, dem Spermiogramm und welche Diagnosen den Wunsch einer Schwangerschaft beeinflussen können.

Spermatogenese

Spermien müssen genau wie andere Zellen im Körper einen vorgegebenen Prozess durchlaufen, um dann am Ende ihre Aufgabe im Organismus bzw. der Entwicklungsgeschichte zu übernehmen. Dieser Prozess wird als Spermatogenese bezeichnet.

Im Körper liegen zu Beginn Spermatogonien vor, die bis zur Pubertät inaktiv sind. Diese Stammzellen sind an der Basalmembran der Tubuli seminiferi angesiedelt. Mit der Pubertät setzt die Mitose ein. In der Mitose findet eine Vermehrung statt, das heißt, die Stammzellen teilen sich in eine Typ-A-Spermatogonie und in eine Typ-B-Spermatogonie. Da sich die Zellen nicht genau in der Mitte teilen, spricht man von einer asymmetrischen Teilung. Die DNA der Typ-B-Spermatogonie wird erst verdoppelt und anschließend wieder geteilt. Das daraus resultierende Spermium bezeichnet man als Spermatozyt I, welches zwei Chromosomen und vier Chromatiden besitzt. Nach der Mitose beginnt die Meiose, wo die Anzahl der Chromosomen und Chromatiden jeweils halbiert wird, von 2n4c auf 1n2c (haploider Chromosomensatz). Spermatozyten II entstehen aus den Spermatozyten I im Lumen der Tubuli seminiferi. Im letzten Schritt der Meiose liegt ein haploider Chromosomensatz mit einer Chromatide (1n1c) vor. Zuletzt folgt die Ausdifferenzierung, wo das Akrosom und der Spermienschwanz ausgebildet werden. So entstehen in dem oben beschriebenen Prozess aus einem Spermatogonium innerhalb von 64 Tagen vier Spermien. Diese können dann die sekundäre Oozyte der Frau befruchten und eine reife Eizelle entsteht.   Hoden – AMBOSS (22.01.2021) 

Aufbau eines Spermiums

Ein Spermatozoon, bzw. umgangssprachlich ein Spermium, besteht aus einem Kopfteil, in welchem der Nucleus und das Akrosom vorzufinden sind. Mithilfe des Akrosoms kann die Zona pellucida, eine Schicht, die die weibliche Eizelle von außen schützt, durchdrungen werden. 

Das Spermiogramm

Wenn Paare mit Kinderwunsch einen Arzt konsultieren, werden diverse Untersuchungen durchgeführt. Allen voran die Analyse des männlichen Ejakulats, das Spermiogramm. Ziel des Spermiogramms ist es, herauszufinden, wie gut die Spermien sind. Zu den relevanten Parametern gehören die Gesamtspermienzahl (≥ 1,4ml), die Spermatozoenkonzentration (≥ 16mill/ml), die Motilität (Beweglichkeit: ≥ 42% motile Spermien (PR+NP), die Vitalität (≥ 58% vitale (Eosin-negative) Spermien) , die Morphologie (≥ 4% normale Spermien), der Fructosegehalt und auch der pH-Wert (> 7,2). 

Anhand dieser Parameter lässt sich die Spermienqualität einschätzen.

Spermiogramm – Durchführung und Auswertung der Ejakulatanalyse (urologielehrbuch.de)  (30.08.2021) &  „Facharztwissen Urologie: differenzierte Diagnostik & Therapie“, Schmelz (Hrsg), 2. Auflage 2010

Diagnosen

Durch eine Spermienanalyse können verschiedene Krankheitsbilder diagnostiziert werden, welche im Folgenden kurz erläutert werden. 

• Aspermie bedeutet, dass kein Ejakulat kommt, obwohl es einen Orgasmus gegeben hat. 
• Zu wenig Ejakulat, bestehend aus Samenzellen und Samenflüssigkeit, bezeichnet man als Hypospermie. Man spricht hier von unter 1,5 mL Ejakulat. 
• Azoospermie ist der Fachbegriff für keine Spermatozoen im Ejakulat, was viele unterschiedliche Gründe haben kann, sei es genetisch oder eine gestörte Spermatogenese. Hier muss man jedoch noch unterscheiden, ob Spermatozoen im zentrifugierten Pellet nachweisbar sind, da diese Pathologie dann als Kryptozoospermie bezeichnet wird. 
• Von einer Oligozoospermie spricht man, wenn weniger als 15 Millionen Spermatozoen/mL Ejakulat aufzufinden sind. 
• Wenn weniger als 32% der Spermatozoen eine progressive Motilität zeigen, spricht man von einer Asthenozoospermie. 
• Teratozoospermie beschreibt Ejakulat, in dem unter 4% morphologisch normaler Spermatozoen auffindbar sind. 
• Es ist auch möglich, dass eine verminderte Spermienkonzentration in Kombination mit einer Teratozoospermie und Asthenozoospermie auftreten kann, welche zusammenfassend dann als das OAT-Syndrom (Oligoasthenoteratozoospermie) bezeichnet wird. 

(https://next.amboss.com/de/article/_i058f?q=oligozoospermie#Z1931c6e74daa05148c3cce5e69894553 (30.08.2021))

Wichtig ist, dass selbst ein gutes und befund freies Spermiogramm kein Garant für eine Schwangerschaft ist. Auch mit einem nicht idealen Spermiogramm werden gesunde Kinder gezeugt. Dennoch ist ein zuverlässiges Spermiogramm Grundlage und Voraussetzung für die Auswahl der besten Therapieoption.

Von Marie-Claire Pabst 

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Erstellung von Spermiogrammen mit KI

Auch wir nutzen KI – eine, die mit der Lösung einer einzigen Aufgabe betraut wird. Spermien zu zählen und die Motilität zu bestimmen, um ein präzises Spermiogramm zu erstellen. Etwas, das sonst nur ein Mensch kann. Und das auch nur, mit einer Menge Wissen und Erfahrung. Denn das braucht es, um ein akkurates Ergebnis anhand der Mikroskopbilder zu bekommen.

Auch wenn das menschliche Gehirn nicht perfekt ist, so hat es einen großen Vorteil gegenüber einem Computerprogramm. Und zwar die Fähigkeit, bisher Gelerntes auf neue Situationen anwenden zu können – die sogenannte Transferfähigkeit. Eine neue Situation kann dabei schon etwas für einen Menschen triviales wie eine neue Probe unter dem Mikroskop sein.

Und genau diese Transferfähigkeit wird mithilfe von Künstlicher Intelligenz möglich. 

Das Grundprinzip von KI

Bei der Analyse von Bildern unter dem Mikroskop,  kommt eine KI zum Einsatz, welche als Deep Learning bezeichnet wird. Die Idee für Deep Learning stammt aus der Biologie und ist eine Imitation des menschlichen Gehirns, welches aus miteinander vernetzten Nervenzellen, auch Neuronen genannt, besteht, welche elektrische Signale verarbeiten und weitergeben.

Ein Neuronales Netzwerk, welches die Grundlage für eine Künstliche Intelligenz bildet, funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip und besteht aus dem menschlichen Gehirn nachempfundenen Algorithmen. Jede Nervenzelle wird durch eine Formel definiert. Wenn ein derartiges künstliches Neuron Daten bekommt, werden diese mithilfe der Formel verarbeitet und das Ergebnis weitergegeben.

Lernen wie ein Mensch

Genau wie der Mensch muss auch eine KI eine Sache erst lernen. Damit diese also die Fähigkeit hat, Bilder oder Videos zu analysieren, muss diese zuerst trainiert werden. Um also beispielsweise Spermien auf einem Bild zu finden, werden der KI sehr viele Mikroskopbilder mit Spermien, deren Positionen und Bewegungsverhalten gezeigt, mit der Aufgabe diese zu identifizieren.

Dieser Schritt muss viele Millionen Mal wiederholt werden, bis eine KI gute Ergebnisse erzielt. Je nachdem wie viel Rechenleistung zur Verfügung steht, dauert dieser Prozess entsprechend lange. Die KI des Seminal Analyzers benötigte dafür etwa 200 Stunden.

Um unserem Qualitätsanspruch gerecht zu werden, bekommt jeder Kunde eine eigene KI zugewiesen. So wird, bevor ein Kunde unseren Analyzer produktiv nutzen kann, sichergestellt, dass die KI die Daten des Mikroskops richtig interpretiert. Die KI wird also eigens für den Kunden trainiert. Damit dies nicht mehrere Wochen dauert, wird eine KI als Basis verwendet, welche bereits anhand einer großen Menge von Daten so trainiert wurde, dass sie möglichst viele Situationen abdeckt. Anschließend wird diese KI mit kundenspezifischen Daten weiterentwickelt um die bestmögliche Genauigkeit zu erreichen. So erreichen wir in kurzer Zeit eine exakte und auf den Kunden abgestimmte Performance unseres Analyzers.

Wir arbeiten stetig daran die KI durch neue Methoden oder mithilfe von neu erlangten Daten weiter zu verbessern. So wird mindestens zweimal im Jahr das Basismodell mit nach trainiert. 

Ziel ist es, durch eine effiziente und präzise Spermienanalyse unseren Kunden den Alltag zu erleichtern und zum Erfolg der jeweiligen Behandlung beizutragen.

https://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2018/10/01/what-is-deep-learning-ai-a-simple-guide-with-8-practical-examples/?sh=6378b0258d4b

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Virenschutz, Firewall oder gar 2-Faktor Authentifizierung? Seit dem Mai 2018 regelt die DSGVO Verordnung (Link) den Datenschutz in allen europäischen Unternehmen. 

Wussten Sie beispielsweise, dass Sie seit dem 1. April 2021 Passwörter auf dem Arbeitsgeräte-Webbrowser nicht mehr speichern dürfen? Oder dass Sie sich selbst um die Aktualität von Virenschutzprogrammen kümmern müssen? (Link)

Für Arztpraxen greifen noch andere Regularien. Bspw. die IT-Sicherheitsrichtlinie, welche von der KBV (Kassenärztliche Bundesvereinigung) und dem BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik) fortlaufend weiterentwickelt wird. Diese Richtlinie gibt für Praxen verschiedener Größe vor, wie die Informationssicherheit zu gewährleisten ist. (Link). Viele dieser Regelungen gehen weit über das DSGVO Gesetz hinaus. So kann ein zuverlässiger Schutz von Patienteninformationen  sichergestellt werden.

Datenschutz bei tensorscope

Wir bei tensorscope bleiben für Sie auf dem Laufenden, klären auf und wollen ein besonderes Bewusstsein für Informationssicherheit schaffen. Denn auch bei uns steht der Schutz von Patienteninformationen an erster Stelle. 

So ist auch unser “tensorscope Seminal Analyzer” (eine Software zur Analyse von Mikroskopbildern zur WHO-konformen Spermiogrammerstellung mithilfe von KI)  sorgfältig nach den relevanten Verordnungen entwickelt worden. 

Folgende Beispiele verdeutlichen, wie wir bei tensorscope den Schutz Ihrer Daten sicherstellen.

Mit unserer Software werden Mikroskop Bilder bzw. Videos von Spermien analysiert. Zur Zuordnung der einzelnen Analysen wird vom Nutzer eine Patienten-ID hinterlegt. Diese ID wird nicht an unsere Server weitergeleitet. Denn diese Information ist für uns nicht relevant.

Um den bestmöglichen Kundensupport anbieten zu können, sind Funktionen wie Bildschirmaufnahmen beim Versenden der Feedback-Daten nicht nur hilfreich,  sondern oft auch nötig. Wenn ein Nutzer diese Funktion verwendet, hat es für uns höchste Priorität, dass nur die absolut notwendigen Informationen, wie bspw. eine aktuelle Bildschirmaufnahme der Anwendung, mitgeschickt wird, um einen relevanten, informativen Kontext zu übermitteln. Hierbei haben wir ein Konzept entwickelt, um sämtliche Informationen die Rückschlüsse zum Patienten möglich machen würden zu verbergen. Wir schwärzen. 

Die Patienten-IDs werden bei Bildschirmaufnahmen verdeckt, sodass auch hier ein Rückschluss auf die Identität eines Patienten unmöglich ist. Somit gehen wir auf Nummer sicher.

Weiterhin ist alles bei tensorscope passwortgeschützt, die automatische Bildschirmsperre bei unseren Computern ist aktiviert. Darüber hinaus werden alle Zugriffsberechtigungen gezielt und nach Funktion  vergeben. Somit ist klar geregelt, wer auf welche Daten/Ordner und Programme zugreifen kann. Außerdem wurden die Mitarbeitenden über die Einhaltung von Schweigepflicht und Datenschutz informiert. 

Um nur einige Beispiele zu nennen, wie wir unseren Kunden den nötigen Schutz Ihrer Daten bieten. 

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Die Erstellung von Spermiogrammen ist zeitaufwendig und lohnt sich für viele urologische Praxen kaum noch. Je nach Erfahrung des Fachpersonals variiert die Qualität der Spermiogramme stark. Genau für diese Problematik hat tensorscope eine Lösung erarbeitet.

Was genau ist der Seminal Analyzer?

Der Seminal Analyzer ist eine Software zur Analyse von Mikroskopbildern, welche auf jedem Windows Gerät nutzbar ist. Verbunden mit einer Okularkamera wird ein normales Lichtmikroskop zu einem intelligenten Gerät, zur Ansicht und Auswertung von Mikroskopbildern und zur exakten Bestimmung mikroskopischer Kennzahlen des männlichen Ejakulats. Natürlich WHO-konform. Wer möchte kann so den Mikroskop Alltag ganz bequem auf den Computer Monitor verlagern. 

Was war bei der Entwicklung besonders wichtig?

Bei der Entwicklung haben wir uns zuallererst in die Labormitarbeiter*innen im Bereich männliche Fortpflanzung hineinversetzt  um zu verstehen, was diese genau brauchen. 

Es gibt ja bereits einige Produkte zur automatischen Erstellung von Spermiogrammen, wobei meist ein kostspieliges Gerät erworben werden muss, zusätzlich fallen die laufende Kosten für spezielles Verbrauchsmaterial an. Das wollten wir nicht. 

Vielmehr soll unser Service – unabhängig von der Ausstattung – von jedem Labor ganz unkompliziert und ohne große Investitionen nutzbar sein. Dazu gehört, dass Nutzer die  Mikroskope, mit denen sie bereits seit vielen Jahren arbeiten, weiter nutzen können und so wenig wie möglich zusätzliche Anschaffungen erforderlich sind. Ein Vorteil von dem im Besonderen solche Praxen profitieren, in denen relativ wenige Spermiogramme durchgeführt werden. 

Weitere Kernziele der Entwicklung waren eine intuitive Handhabung sowie ein Arbeitsablauf in der Software, welche die bekannten Abläufe im Labor optimal abbildet. Dabei war uns besonders wichtig, dass die Anwendung selbsterklärend ist und ohne aufwendige Trainings genutzt werden kann. Insbesondere bei der Gestaltung dieser Abläufe haben wir uns regelmäßig Feedback von Anwendern eingeholt und uns kontinuierlich verbessert.

Wie genau funktioniert der Service?

Wir stellen eine kostenfreie Software zur Verfügung, welche in Verbindung mit der benötigten Hardware jedes Lichtmikroskop auf die digitale Mikroskopie umrüstet. 

Bevor ein Nutzer die Software zur Erstellung von Spermien-Analysen nutzen kann, muss diese erst lernen, die speziellen Eigenarten des  individuellen Mikroskops korrekt zu interpretieren. Hierfür werden vom Nutzer einige Bild- und Videobeispiele gesendet. Wir nutzen diese um unsere KI zu trainieren. Dazu werden  die Daten von einem unserer Machine Learning Technicians manuell nachbereitet – also jede Spermie einzeln markiert und klassifiziert. Diese Phase  nennen wir “Lernphase”. 

Erst wenn die KI genug trainiert ist und Ergebnisse den Qualitätsbestimmungen entsprechen, wird der Kunde für die produktive Nutzung der Analyse-Funktion freigeschaltet. Der Kunde bekommt zudem einen umfassenden QM-Report zugesendet.

Von nun an bestimmt der Seminal Analyzer auf Knopfdruck Konzentration und Motilität von Ejakluatproben. Dazu werden Bilder/Videos der Probe an unseren Server gesendet und ausgewertet. Dem Nutzer liegen die Ergebnisse innerhalb von kürzester Zeit in der lokalen Anwendung vor.  

Die Abrechnung erfolgt ganz transparent und fair pro bereitgestelltem Datenset. 

Welche Vorteile hat die Nutzung des Analyzers?

Die wesentlichen Vorteile liegen in der Präzision, Vergleichbarkeit, Nachvollziehbarkeit und der Zeitersparnis.

Die moderne Bilderkennungs-Technologie ist schneller und genauer als das menschliche Auge. Und vor allem: sie ermüdet nicht. Die Qualität der Analyseergebnisse ist folglich unabhängig vom Auge des Betrachters, da sie anhand von Referenzwerten objektiv berechnet werden. 

Ein weiterer positiver Effekt des Seminal Analyzers ist, dass die Daten – im Gegensatz zu anderen Lösungen für die automatische Analyse von Ejakulatproben – von einem zentralen System ausgewertet werden, womit Ergebnisse aller Labore und Mitarbeitende hinweg vergleichbar werden. 

Die Ergebnisse können in der Anwendung langfristig eingesehen und anhand der Originalbilder/-videos nachvollzogen werden. 

Nicht zuletzt ist die Analyse-Geschwindigkeit ein großer Plus-Faktor. Damit haben die Nutzer die Chance, ihre kostbare Zeit für all die Dinge zu verwenden, die ein Mensch besser kann, als eine Maschine.

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Was war die Geburtsstunde von tensorscope? 

Im Frühjahr 2016 war ich Leiter einer wissenschaftlichen Arbeitsgruppe in der vegetativen Physiologie der UMG und Geschäftsführer der Firma PortaCellTec biosciences GmbH (PCT) als Zacharias Böhler (IT Experte) ein zweiwöchiges Praktikums bei mir im Labor absolvierte. Bereits am ersten Tag war er darüber verwundert, dass Kolleg*innen mit Hand Zählern an Mikroskopen sassen um Zellen zu zählen. 

Ihm war sofort klar: das geht auch anders. Wahrscheinlich war es genau seine fachfremde Perspektive welche ihn sofort in Lösungen denken ließ. Für ihn war es naheliegend, Künstliche Intelligenz und Bildanalyse zu kombinieren um den Prozess schneller und präziser zu gestalten. 

Dies war die Geburtsstunde der Idee eine Software zur Zählung von Zellen unter einem Mikroskop zu entwickeln. 

Wie ging es dann weiter?

Wir (Mitarbeiter*innen der PCT) haben auf Mikroskopen Aufnahmen von Zellen erstellt, während Zacharias an der Entwicklung einer entsprechenden Analyse-Software arbeitete. 

Zu diesem Zeitpunkt arbeiteten wir an einem Konzept, bei dem die Mikroskopbilder mit Hilfe einer am Okular befestigten Handy-Kamera aufgenommen, und einer Android-App analysiert werden. Wir haben hierfür mit einem 3-D Drucker Adapter für die Okulare gebaut. Das Konzept hat sich leider als nicht praxistauglich herausgestellt und wurde schlussendlich verworfen. 

In der kommenden Zeit haben wir viele weitere Konzepte entwickelt und wieder verworfen,  am Ende waren Okularkameras die beste Lösung.

Eine Analyse-Art, die Zählung von “Human Embryonal Kidney Cells (HEK)”, ist bis heute in meiner Firma  PortaCellTec Biosciences GmbH sowie in der  Klinischen Pharmakologie der Universitätsmedizin Göttingen  im Einsatz. 

Der erste Preis

2017 wurde uns beim Münchener Startup Weekend  für unsere KI zur Zellzählung der erste Preis verliehen. Für uns ein bedeutender Schritt: Mit dem Preis war ein Arbeitsplatz verbunden, so dass wir mit Gründung der Firma in ein Büro in der Maximilianstraße gezogen sind.

Etwa zur gleichen Zeit hat der Südniedersachsen Innovations-Campus (SNIC) in Göttingen die Arbeit aufgenommen. Dieser unterstützt Innovationen und Unternehmensgründungen. Meine Firma (und unser erster Kunde) PCT sitzt in Göttingen, ich hatte sehr gute Kontakte zur Uni, diversen Laboren und auch auf der Suche nach einem geeigneten Geschäftsführer wurden wir in Göttingen fündig. Es war also nur logisch, dass wir uns für das Accelerator Programm des SNIC bewarben. Die Gründungsmitglieder stellten die Idee vor und wir hatten Erfolg. Kurz darauf folgte der Umzug nach Göttingen.

Da wir bisher alles aus eigener Tasche finanziert haben und wir unsere Idee weiter voran treiben wollten, machten wir uns auf die Suche nach Investoren. Ein erstes Seed-Investment erhielten wir von einer Gruppe an privaten Personen. Auch mit der Unterstützung unseres Inkubators, SNIC, haben wir im Weiteren ein tragfähiges Geschäftsmodell erarbeitet und eine Series-A Finanzierung erhalten. Als Lead-Investor konnten wir die N-Bank Capital Beteiligungsgesellschaft mbH gewinnen, im März 2020 wurden schlussendlich die Verträge unterschrieben, Danach konnten wir endlich wieder all unsere Energie in die Weiterentwicklung und Ausarbeitung unseres Produkts stecken.

Wie kam es zum dem Fokus Spermiogramme?

Wir haben in verschiedene Richtungen gedacht und recherchiert. Auffällig war bei den Spermiogrammen, dass gerade diese Analysen besonders zeitaufwändig sind und eine Menge Erfahrung benötigen. Und obwohl die Richtlinien der Bundesärztekammer und die WHO klar vorgeben, wie Spermiogramme erstellt werden, unterscheiden sich sowohl Methode als auch Qualität bei den Analysen immens. Die Möglichkeit, dass unsere Technologie einen Beitrag zu Qualität und vor allem zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse leisten könnte motivierte uns und führte schlussendlich dazu, dass wir uns für die Entwicklung einer Software zur automatischen Erstellung von Ejakulatanalaysen entschieden. Die Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit Universitäten, Laboren, Urologen/Andrologen und Reproduktionsmediziner*innen durchgeführt und unter Berücksichtigung der Richtlinien zur Qualitätssicherung der Spermatologie (RiLiBÄK). Beraten wurden wir zusätzlich von Barbara Hellenkemper und Prof. Dr. Eberhard Nieschlag in Münster, zwei ausgewiesene Experten im Bereich Ejakulatanalyse.

Früher lautete der Firmenname “img.ai”. Wie kam es zu der Änderung in “tensorscope”?

Wir haben viele Rückmeldungen zum Namen bekommen. Einige waren unsicher, wie es ausgesprochen bzw. geschrieben wird. Weiterhin wirkte img.ai eher wie ein  Projektname und nicht wie ein Firmenname. Daher erschien es sinnvoll, diesen zu ändern. 

Was ist die Vision von tensorscope?

Meine Vision ist, die vielfältigen und bedeutenden mikroskop-basierten bildgebenden Verfahren in der Wissenschaft und Diagnostik mit spezifischer KI effizienter und zuverlässiger zu machen. Und dass weltweit.  Damit wir einen Beitrag dazu leisten, die Digitalisierung der Mikroskopie voranzubringen.  

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