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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