Effective inhibition of sperm motility using a spermicide can be a promising approach in developing non-invasive male contraceptive agents. Copper is known to have contraceptive properties and has been used clinically for decades as intrauterine contraceptive devices (IUDs) for contraception in females. Beyond that, the spermicidal use of copper is not explored much further, even though its use can also subdue the harmful effects caused by the hormonal female contraceptive agents on the environment. Herein, the size, concentration, and timedependent in vitro inhibition of bovine spermatozoa by copper microparticles are studied. The effectivity in inhibiting sperm motility is correlated with the amount of Cu²⁺ ions released by the particles during incubation. The copper particles cause direct suppression of sperm motility and viability upon incubation and thereby show potential as sperm-inhibiting, hormone-free candidate for male contraception. In addition, biocompatibility tests using a cervical cell line help optimizing the size and concentration of the copper particles for the best spermicidal action while avoiding toxicity to the surrounding tissue.

Etwa 15% aller Paare bleiben ungewollt kinderlos. Männliche Faktoren sind in circa einem Drittel der Fälle als ursächlich anzusehen. Jedoch sind die Erfolgsraten der Therapie männlicher Infertilität durch assistierte Reproduktion auch nach über 30 Jahren seit deren Einführung unbefriedigend. Bestehende Spermienaufbereitungsmethoden wie einfaches Waschen, swim up oder die Dichtegradientenzentrifugation basieren auf makroskopisch-funktionellen Parametern wie Motilität und Morphologie. Spezifische Eigenschaften wie etwa eine aktivierte Apoptosesignalkaskade der Spermien werden dabei nicht berücksichtigt. Die wesentlichen Elemente verschiedener Signalwege der aus somatischen Zellen bekannten Apoptose konnten auch am humanen ejakulierten Spermatozoon nachgewiesen werden. Über die (negativen) Auswirkungen der Apoptose auf die männliche Fruchtbarkeit gibt es einen Konsens. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Selektionsmethoden zu entwickeln, welche auf subzellulärer Ebene intakte Spermien mit dem größtmöglichen Fertilisationspotential aus dem Ejakulat extrahieren. In einem ersten Versuchskomplex konnte gezeigt werden, dass durch die Kombination von Dichtegradientenzentrifugation und swim-up (Standardmethoden in Reproduktionskliniken und andrologischen Laboren) zur Aufbereitung der Spermien von subfertilen Patienten eine akzeptable Reduktion der Spermien mit aktivierter Apoptosesignalkaskade erreicht werden kann. Jedoch gaben die großen interindividuellen Unterschiede im Separationseffekt Anlass zur Entwicklung innovativer Untersuchungs- und Separationsmethoden. So wurden unter anderem fluoreszenzbasierte Tests zur Evaluation von Spermiendefekten, wie beispielsweise einer gestörten Integrität des mitochondrialen Membranpotentials, eingeführt. In den Untersuchungen wurde die Praktikabilität dieser neuen Analyseverfahren im Routineeinsatz unter Standardbedingungen getestet und bestätigt. Die innovative Selektionsmethode der Annexin V-MACS Separation basiert auf der Bindung von Annexin V-MicroBeads an apoptotische Spermien, womit eine Subpopulation reifer, motiler und vitaler Spermien mit inaktivierter Apoptosesignalkaskade gezielt angereichert wird. Das Konzept wurde zudem erfolgreich auf ein (Glaswoll-) Festphasen-Filtersystem ohne frei schwimmende Microbeads übertragen. Dadurch gelang die Minimierung eines potentiellen Transmissionsrisikos der Microbeads bei der Anwendung im Rahmen der künstlichen Befruchtung. Den hohen Stellenwert dieser Verfahren belegen die Ergebnisse zweier in-vitro Modelle, an denen erstmalig gezeigt werden konnte, dass durch die Selektion von Spermien mit inaktivierter Apoptose-Signalkaskade höhere Fertilisationsraten erreichbar sind.

Cilien und eukariotische Flagellen sind lange, dünne Fortsaetze von Zellen. Sie enthalten eine Struktur namens Axonem. Die wesentlichen Komponenten des Axonems sind die Filamente und Motorproteine namens Mikrotubuli und Dynein. Die Motoren forcieren die Filamente, sich in oszillierender Weise gegeneinander zu verschieben, was zu einem Schlagmuster entlang des Axonemes fuehrt. Wie diese Motoren koordiniert werden und wie dieses Phaenomen quantitativ beschrieben werden kann, ist nicht verstanden. Wir studierten die Wellenformen an Spermienschwaenzen, welche ein solches Axonem enthalten, unter verschiedenen Bedingungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Wir entwickelten eine automatisierte Bildanalyse-Software, die es erlaubt, lange Zeitreihen solcher Wellenformen von Filmen zu extrahieren. In einer anschließenden Fourieranalyse erzielten wir eine gemittelte Wellenform mit erhoehter Präzision. Ein Vergleich von unseren Daten mit den Vorhersagen einer Theorie (Camalet, Julicher et al. 1999) führte zu einer Diskrepanz. Entsprechend schlugen wir eine Erweiterung der Theorie vor, indem wir annahmen, daß an der Basis des Axonems ein viskos-elastisches Element existiert. Dies führte zu einer zufrieden stellenden Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Abschließend diskutieren wir offene Fragen und zukünftige Experimente. Als ein Nebenprodukt entdeckten wir ein neues Phaenomen, bei welchem Spermien Anordnungen von dynamischen Strudeln (Vortices) bilden. Wir beschrieben dieses Phaenomen im Detail und führten einen neuen Ordnungsparameter ein, mit dem die Ordnung zwischen vielen Objekten quantifiziert werden kann. Mittels dieses Ordnungsparameters konnten wir zeigen, daß dieses Muster sich erst ab einer kritischen Dichte herausbildet. Wir schlugen ein Model vor, um den Ursprung des Musters zu erklären. Die Simulation des Models zeigte volle Uebereinstimmung mit den wesentlichen Eigenschaften dieses Musters. Weiterhin schaetzten wir die typische Wechselwirkungskraft zwischen aktiven Axonemen mit 0.1 pN ab. Abschließend ziehen wir Schlußfolgerungen über die kollektive Wirkung von Axonemen im Allgemeinen mit Hinblick auf Spermienkooperation und metachronale Cilienwellen. - Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: QuickTimeMovies (ca. 65 MB) Nutzung: PLAY32 - Übersicht über Inhalte siehe Dissertation S. 108 - 109 / Cilia and eukaryotic flagella are long, thin extensions of cells that contain a structure known as axoneme. The key components of the axoneme are microtubule filaments and the motor proteins dynein. These dynein motors force the microtubules to slide in an oscillatory fashion leading to a wave pattern along the axoneme. How these motors are coordinated and how this phenomenon can be described quantitatively is not understood. I therefore studied the waveforms of sperm tails that contain such an axoneme. I observed these waveforms under different conditions with a high-speed camera and developed an automated image analysis tool allowing the extraction of long time series of this waveform. In a subsequent Fourier analysis I increased the precision by obtaining an averaged waveform. I then compared the data to the predictions of a theoretical framework (Camalet, Julicher et al. 1999) and found that they do not agree. I suggested extending this theoretical framework by considering a visco-elastic element at the base of the axoneme, which leads to a satisfactory agreement. This project leaves open questions hence further work is discussed. As a side finding, I discovered a new phenomenon on how spermatozoa form dynamic vortex arrays. I described this pattern in detail and introduced a novel order parameter to quantify the order among many particles. I showed that the array only forms above a critical sperm density. I suggested a model to explain the origin of the pattern and showed by simulation that the model can account for the main features of the pattern. Finally I estimated the typical interaction force between beating axonemes to be 0.1 pN and drew conclusions about their collective action in general that might be relevant for sperm cooperation or metachronal waves of cilia.

Eine wichtige Eigenschaft der Plasmamembran eukaryotischer Zellen ist die stabile transversale Asymmetrie der Phospholipide. Sie wird energieabhängig durch die Aktivität einer Aminophospholipidtranslokase aufrechterhalten und gilt als wichtige Voraussetzung für die Homöostasis der Zellen. Die Plasmamembran einiger Säugerzellen weist zudem laterale Lipiddomänen auf, denen eine wesentliche Bedeutung bei der Signaltransduktion zugeschrieben wird. Während der Genese durchlaufen die Membranen der Säugerspermien intensive Veränderungen. Um die Bedeutung der Phospholipidasymmetrie für die Funktion der Spermien zu untersuchen, wurde die Lokalisation und Dynamik von Phosphatidylserin in der Zell- und Akrosommembran von Eberspermien im Verlauf von Kapazitation und Akrosomreaktion betrachtet. Unter Ausnutzung der selektiven, kalziumabhängigen Bindung von AnnexinV an endogenes Phosphatidylserin konnte dessen Lokalisation an morphologisch differenzierten Zellen verfolgt werden. Eine Markierung der Zellen mit NBD-markierten Phospholipidanaloga lieferte zudem Informationen zur Dynamik der Phospholipide in der Plasmamembran. Die Differenzierung der Zellen erfolgte entweder am Durchflusszytometer oder fluoreszenz- bzw. elektronenmikroskopisch. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit weisen sowohl auf eine transversale als auch laterale Ungleichverteilung der Lipide in der Zell- und Akrosommembran während der Genese der Spermien hin. Neben der stabilen transversalen Phospholipidasymmetrie der Plasmamembran konnte erstmals eine zytoplasmatische Lokalisation von Phosphatidylserin auf der äußeren Akrosommembran nachgewiesen werden. Somit akkumulieren die beiden einander zugewandten zytoplasmatischen Monolayer von Plasmamembran und äußerer Akrosommembran Phosphatidylserin. Kapazitationsbedingt kommt es zu einer engen Wechselwirkung zwischen Plasmamembran und äußerer Akrosommembran. Die Ausbildung lateraler Membrandomänen, in denen Phosphatidylserin zytoplasmatisch akkumuliert, wird als Voraussetzung für diese enge Assoziation diskutiert. Weitere Hinweise auf eine funktionelle Bedeutung lateraler Membrandomänen lieferten die Arbeiten zur Isolation Triton-unlöslicher Lipiddomänen aus der Plasmamembran von Forellenspermien. / One of the essential qualities of cell membranes in Eucaryotae is a stable transverse phospholipid asymmetry. It is regulated and maintained by ATP-dependent action of an aminophospholipid translocase and is a major prerequisite for cell homeostasis. The plasma membranes of several mammalian cells show moreover lateral lipid domains, which are imputed to play a significant role in signal transduction. The membranes of mammalian spermatozoa undergo significant changes during genesis. The localisation and dynamics of phosphatidylserine in the cell as well as acrosome membranes of boar sperm cells was studied during capacitation and acrosome reaction to assess the relevance of lipid asymmetry for sperm function. The localisation of endogenous phosphatidylserine in morphologically differentiated cells was followed using the selective calcium depending binding of annexinV. Information on the transverse dynamics of phospholipids in the plasma membrane was obtained by labelling the cells with a NBD-phospholipid analogues. The morphological status of the cells was assessed by flow cytometry, fluorescence and electron microscopy. The results of this study indicate both a transversal and lateral inhomogenous distribution of lipids in the cell membrane as well as in the outer acrosome membrane during sperm genesis. The plasma membrane of boar sperm shows a stable transversal lipid asymmetry characterised by an accumulation of phosphatidylserine in the cytoplasmic monolayer. Moreover a cytoplasmic localisation of phosphatidylserine on the outer acrosome membrane could be detected for the first time. Therefore the two facing cytoplasmic leaflets of the outer acrosome and cell membrane contain phosphatidylserine. Applying microscopy substantiated the hypothesis that there are close interactions between the cell membrane and the outer layer of the acrosome membrane because of capacitation. The cytoplasmic accumulation of phosphatidylserine in lateral lipid domains is probably essential for the strong association of plasma and outer acrosome membrane finally leading to local fusions of both membranes. An indication for the functional meaning of lateral membrane domains in sperm cells was futher deduced from the isolation of Triton-insoluble lipid domains from membranes of trout sperm cells.

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Andrologische Forschungsarbeiten der letzten Jahre beweisen, dass einzelne, aus somatischen Zellen bekannte Apoptose-typische Veränderungen bei humanen Spermien einen negativen Einfluss auf die Fertilität des Mannes haben. Umstritten ist, ob es sich dabei nur um einen abortiven Zelltod als Zeichen einer Reifungsstörung während der Spermatogenese handelt oder ob Apoptose auch in reifen Spermien induzierbar ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Untersuchungen zur Induzierbarkeit der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen die vollständige Funktionalität verschiedener Signalkaskaden sowie deren Umsetzung in morphologische Veränderungen aufzudecken. Darüber hinaus sollte die Rolle des intrazellulären Calciumspiegels als möglicher Interaktionspartner zwischen Akrosomreaktion und Apoptose geklärt werden, um Informationen über die Zukunft der nicht fertilisierenden Spermien im weiblichen Genitaltrakt zu erlangen. In den vorliegenden Versuchsreihen konnte erstmals die gezielte Induktion der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen anhand biochemischer und elektronenmikroskopischer Untersuchungen nachgewiesen werden. Dabei wurde ausführlich die erfolgreiche Aktivierung mehrerer intrinsischer Apoptosesignalwege in reifen Spermien gezeigt, deren Initiation entweder auf den Zusammenbruch innerer Mitochondrienmembranen, auf eine veränderte intrazelluläre Calciumkonzentration oder auf das Einwirken von oxidativem Stress zurückzuführen war. Zudem konnten Erkenntnisse zum antioxidativen Schutzmechanismus von Spermien gewonnen werden, welcher die Spermien gegenüber einer spezifischen Menge an H2O2 vor oxidativem Stress-bedingter Apoptose bewahrt. Sowohl die Apoptose als auch die Akrosomreaktion waren durch die Zugabe eines Calciumchelators blockierbar. Die Initiation des programmierten Zelltodes in Spermien durch einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration erklärt zudem eine weitere wichtige Funktion dieses Prozesses: das Absterben von akrosomenreagierten Spermien bei nicht erfolgter Fertilisation im weiblichen Genitaltrakt. Die Theorie einer rein abortiven Apoptose als Folge einer Spermatogenesestörung ist damit widerlegt.

Etwa 15% aller Paare bleiben ungewollt kinderlos. Männliche Faktoren sind in circa einem Drittel der Fälle als ursächlich anzusehen. Jedoch sind die Erfolgsraten der Therapie männlicher Infertilität durch assistierte Reproduktion auch nach über 30 Jahren seit deren Einführung unbefriedigend. Bestehende Spermienaufbereitungsmethoden wie einfaches Waschen, swim up oder die Dichtegradientenzentrifugation basieren auf makroskopisch-funktionellen Parametern wie Motilität und Morphologie. Spezifische Eigenschaften wie etwa eine aktivierte Apoptosesignalkaskade der Spermien werden dabei nicht berücksichtigt. Die wesentlichen Elemente verschiedener Signalwege der aus somatischen Zellen bekannten Apoptose konnten auch am humanen ejakulierten Spermatozoon nachgewiesen werden. Über die (negativen) Auswirkungen der Apoptose auf die männliche Fruchtbarkeit gibt es einen Konsens. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Selektionsmethoden zu entwickeln, welche auf subzellulärer Ebene intakte Spermien mit dem größtmöglichen Fertilisationspotential aus dem Ejakulat extrahieren. In einem ersten Versuchskomplex konnte gezeigt werden, dass durch die Kombination von Dichtegradientenzentrifugation und swim-up (Standardmethoden in Reproduktionskliniken und andrologischen Laboren) zur Aufbereitung der Spermien von subfertilen Patienten eine akzeptable Reduktion der Spermien mit aktivierter Apoptosesignalkaskade erreicht werden kann. Jedoch gaben die großen interindividuellen Unterschiede im Separationseffekt Anlass zur Entwicklung innovativer Untersuchungs- und Separationsmethoden. So wurden unter anderem fluoreszenzbasierte Tests zur Evaluation von Spermiendefekten, wie beispielsweise einer gestörten Integrität des mitochondrialen Membranpotentials, eingeführt. In den Untersuchungen wurde die Praktikabilität dieser neuen Analyseverfahren im Routineeinsatz unter Standardbedingungen getestet und bestätigt. Die innovative Selektionsmethode der Annexin V-MACS Separation basiert auf der Bindung von Annexin V-MicroBeads an apoptotische Spermien, womit eine Subpopulation reifer, motiler und vitaler Spermien mit inaktivierter Apoptosesignalkaskade gezielt angereichert wird. Das Konzept wurde zudem erfolgreich auf ein (Glaswoll-) Festphasen-Filtersystem ohne frei schwimmende Microbeads übertragen. Dadurch gelang die Minimierung eines potentiellen Transmissionsrisikos der Microbeads bei der Anwendung im Rahmen der künstlichen Befruchtung. Den hohen Stellenwert dieser Verfahren belegen die Ergebnisse zweier in-vitro Modelle, an denen erstmalig gezeigt werden konnte, dass durch die Selektion von Spermien mit inaktivierter Apoptose-Signalkaskade höhere Fertilisationsraten erreichbar sind.

Sexually selected traits may also be subject to non-sexual selection. If optimal trait values depend on environmental conditions, then “narrow sense” (i.e., non-sexual) natural selection can lead to local adaptation, with fitness in a certain environment being highest among individuals selected under that environment. Such adaptation can, in turn, drive ecological speciation via sexual selection. To date, most research on the effect of narrow-sense natural selection on sexually selected traits has focused on precopulatory measures like mating success. However, postcopulatory traits, such as sperm function, can also be under non-sexual selection, and have the potential to contribute to population divergence between different environments. Here, we investigate the effects of narrow-sense natural selection on male postcopulatory success in Drosophila melanogaster. We chose two extreme environments, low oxygen (10%, hypoxic) or high CO₂ (5%, hypercapnic) to detect small effects. We measured the sperm defensive (P1) and offensive (P2) capabilities of selected and control males in the corresponding selection environment and under control conditions. Overall, selection under hypoxia decreased both P1 and P2, while selection under hypercapnia had no effect. Surprisingly, P1 for both selected and control males was higher under both ambient hypoxia and ambient hypercapnia, compared to control conditions, while P2 was lower under hypoxia. We found limited evidence for local adaptation: the positive environmental effect of hypoxia on P1 was greater in hypoxia-selected males than in controls. We discuss the implications of our findings for the evolution of postcopulatory traits in response to non-sexual and sexual selection.

Andrologische Forschungsarbeiten der letzten Jahre beweisen, dass einzelne, aus somatischen Zellen bekannte Apoptose-typische Veränderungen bei humanen Spermien einen negativen Einfluss auf die Fertilität des Mannes haben. Umstritten ist, ob es sich dabei nur um einen abortiven Zelltod als Zeichen einer Reifungsstörung während der Spermatogenese handelt oder ob Apoptose auch in reifen Spermien induzierbar ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Untersuchungen zur Induzierbarkeit der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen die vollständige Funktionalität verschiedener Signalkaskaden sowie deren Umsetzung in morphologische Veränderungen aufzudecken. Darüber hinaus sollte die Rolle des intrazellulären Calciumspiegels als möglicher Interaktionspartner zwischen Akrosomreaktion und Apoptose geklärt werden, um Informationen über die Zukunft der nicht fertilisierenden Spermien im weiblichen Genitaltrakt zu erlangen. In den vorliegenden Versuchsreihen konnte erstmals die gezielte Induktion der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen anhand biochemischer und elektronenmikroskopischer Untersuchungen nachgewiesen werden. Dabei wurde ausführlich die erfolgreiche Aktivierung mehrerer intrinsischer Apoptosesignalwege in reifen Spermien gezeigt, deren Initiation entweder auf den Zusammenbruch innerer Mitochondrienmembranen, auf eine veränderte intrazelluläre Calciumkonzentration oder auf das Einwirken von oxidativem Stress zurückzuführen war. Zudem konnten Erkenntnisse zum antioxidativen Schutzmechanismus von Spermien gewonnen werden, welcher die Spermien gegenüber einer spezifischen Menge an H2O2 vor oxidativem Stress-bedingter Apoptose bewahrt. Sowohl die Apoptose als auch die Akrosomreaktion waren durch die Zugabe eines Calciumchelators blockierbar. Die Initiation des programmierten Zelltodes in Spermien durch einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration erklärt zudem eine weitere wichtige Funktion dieses Prozesses: das Absterben von akrosomenreagierten Spermien bei nicht erfolgter Fertilisation im weiblichen Genitaltrakt. Die Theorie einer rein abortiven Apoptose als Folge einer Spermatogenesestörung ist damit widerlegt.

Cilia and flagella are hair-like appendages of eukaryotic cells. They are actively bending structures that exhibit regular beat patterns and thereby play an important role in many different circumstances where motion on a cellular level is required. Most dramatic is the effect of nodal cilia whose vortical motion leads to a fluid flow that is directly responsible for establishing the left-right axis during embryological development in many vertebrate species, but examples range from the propulsion of single cells, such as the swimming of sperm, to the transport of mucus along epithelial cells, e.g. in the ciliated trachea. Cilia and flagella contain an evolutionary highly conserved structure called the axoneme, whose characteristic architecture is based on a cylindrical arrangement of elastic filaments (microtubules). In the presence of a chemical fuel (ATP), molecular motors (dynein) exert shear forces between neighbouring microtubules, leading to a bending of the axoneme through structural constraints. We address the following two questions: How can these organelles generate regular oscillatory beat patterns in the absence of a biochemical signal regulating the activity of the force generating elements? And how can the beat patterns be so different for apparently very similar structures? We present a theoretical description of the axonemal structure as an actively bending elastic cylinder, and show that in such a system bending waves emerge from a non-oscillatory state via a dynamic instability. The corresponding beat patterns are solutions to a set of coupled partial differential equations presented herein.