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Start-ups wollen künstliche Befruchtungen automatisieren und so günstiger machen. Geräte sollen das Einbringen der Samen in geeignete Eizellen übernehmen.​

Im vergangenen Frühjahr verpackten Ingenieure in Barcelona die Bauteile eines Roboters für Spermieninjektionen und schickten ihn per DHL nach New York. Dann reisten sie ihm zur New Hope-Klinik hinterher, wo sie ein Mikroskop, eine mechanisierte Nadel, eine winzige Petrischale und einen Laptop wieder zu einem Befruchtungs-Instrument zusammensetzten.

Im nächsten Schritt positionierte einer der Ingenieure, der keine Erfahrung in Fruchtbarkeitsmedizin hatte, mit einem Sony PlayStation-5-Controller zunächst die Roboternadel. Diese bewegte sich dann selbstständig auf eine menschliche Eizelle zu, die durch eine Kamera beobachtet wurde, drang ein und gab eine einzelne Samenzelle ab. Insgesamt befruchtete der Roboter mehr als ein Dutzend Eizellen auf diese Weise. Dabei entstanden gesunde Embryonen.

Kürzlich wurden dann aus zwei Schwangerschaften [1] zwei kleine Mädchen geboren, die nach Angaben der Forscher die ersten Menschen sind, die nach einer robotisierten Befruchtung zur Welt gekommen sind. "Ich war ganz ruhig. In diesem Moment dachte ich: ‚Das ist nur ein weiteres Experiment‘", sagt Eduard Alba, der Maschinenbaustudent, der das Gerät zum Einbringen des Spermas überwacht hatte.

Automatisierung der künstlichen Befruchtung

Das Start-up Overture Life [2], das den Roboter entwickelt hat, bezeichnete das Gerät als ersten Schritt zur Automatisierung der In-vitro-Fertilisation (IVF). Es könne das Verfahren kostengünstiger und weitaus verbreiteter machen, als es das heute ist.

Derzeit sind IVF-Labors millionenschwere Unternehmen, in denen geschulte Embryologen bis zu 125.000 Dollar im Jahr dafür verdienen, dass sie Spermien und Eizellen mit ultradünnen Hohlnadeln unter einem Mikroskop behandeln.

Einige Start-ups meinen jedoch, dass der gesamte Prozess automatisch ablaufen könnte, oder zumindest fast automatisch. Overture beispielsweise hat einen Patentantrag für einen Biochip gestellt, der ein IVF-Labor in Miniaturformat beschreibt, komplett mit versteckten Reservoirs für Wachstumsflüssigkeiten und winzigen Kanälen, durch die sich die Spermien schlängeln.

"Stellen Sie sich eine Box vor, in die Spermien und Eizellen hineingehen und aus der fünf Tage später ein Embryo herauskommt", sagt Santiago Munné, ein preisgekrönter Genetiker und Innovationsvorstand des spanischen Unternehmens. Er ist überzeugt, dass in einem Tischgerät durchführbare künstliche Befruchtungen dafür sorgen können, dass Patienten vielleicht nie mehr eine Spezialklinik aufsuchen müssen. In den USA kann ein einziger Versuch, per IVF schwanger zu, 20.000 Dollar kosten. Stattdessen würden die Eizellen einer Patientin künftig direkt in ein automatisches Fruchtbarkeitssystem in der Praxis eines Gynäkologen eingespeist werden. "Das muss billiger sein, und wenn es jeder Arzt machen könnte, wäre es das auch", sagt Munné.

MIT Technology Review hat ein halbes Dutzend Start-ups mit ähnlichen Zielen identifiziert, die etwa AutoIVF [3], IVF 2.0 [4], Conceivable Life Sciences [5] und Fertilis [6] heißen. Einige haben ihre Wurzeln in Universitätslabors, die sich auf miniaturisierte Lab-on-a-Chip-Technologie spezialisiert haben. Bisher hat Overture mit rund 37 Millionen Dollar das meiste Geld eingeworben. Es stammt von Investoren wie Khosla Ventures und Susan Wojcicki, der ehemaligen YouTube-Geschäftsführerin.

Ziel der Automatisierung: Mehr Babies

Das Hauptziel der IVF-Automatisierung ist nach Ansicht der Unternehmer ganz einfach: Es geht darum, viel mehr Babys zu bekommen. Weltweit werden jedes Jahr etwa 500.000 Kinder [7] durch IVF geboren. Allerdings haben die meisten Menschen, die Hilfe beim Kinderkriegen brauchen, keinen Zugang zu Fruchtbarkeitsmedizin oder können sie nicht bezahlen.

Künstliche Befruchtungen vollständig zu automatisieren wird allerdings nicht einfach sein. Die Reagenzglasbefruchtung umfasst ein Dutzend Verfahren, und der Roboter von Overture führt bisher nur eines davon durch, und auch das nur teilweise. "Das Konzept ist außergewöhnlich, aber dies ist ein kleiner Schritt", sagt Gianpiero Palermo, ein Fruchtbarkeitsmediziner am Weill Cornell Medical Center. Ihm wird die Entwicklung der so genannten intrazytoplasmatischen Spermieninjektion (ICSI), in den Neunziger Jahren zugeschrieben. Palermo merkt an, dass die Forscher von Overture immer noch auf manuelle Hilfe angewiesen sind, wenn es darum geht, eine Samenzelle in die Injektionsnadel zu bringen. "Meiner Meinung nach ist das noch keine robotergestützte ICSI", sagt er.

Andere Ärzte sind skeptisch, dass Roboter in absehbarer Zeit die Embryologen ersetzen können oder sollten. "Man nimmt ein Spermium auf und bringt es mit minimalem Trauma und so behutsam wie möglich in eine Eizelle ein", sagt Zev Williams, Leiter der Fruchtbarkeitsklinik der Columbia University. Im Moment ist der Mensch noch viel besser als eine Maschine", sagt er.

Sein Zentrum hat ebenfalls einen Hilfsroboter für IVF entwickelt, allerdings mit einem begrenzteren Ziel: winzige Tröpfchen des Wachstumsmediums zu verteilen, in dem die Embryonen wachsen sollen. "Es ist nicht gut für die Embryonen, wenn die Tropfengröße variiert", sagt Williams. "Immer wieder die gleichen Tropfen zu erzeugen, das ist es, wo der Roboter glänzen kann." Er nennt es eine "risikoarme" Möglichkeit, die Automatisierung im Labor einzuführen.

Schutzhülle für die Eizellen

Ein weiteres Hindernis für die Automatisierung der Empfängnis ist, dass die so genannte Mikrofluidik – eine andere Bezeichnung für die Labor-auf-einem-Chip-Technologie – dem Hype um sie bisher nicht gerecht geworden ist. Der Embryologe Jeremy Thompson im australischen Adelaide hat seine Karriere damit verbracht, herauszufinden, "wie man das Leben von Embryonen verbessern kann", während sie in Labors wachsen. Doch bis vor kurzem, so sagt er, habe seine Bastelei mit mikrofluidischen Systemen ein eindeutiges Ergebnis gebracht: "Es ist Unfug. Es hat nicht funktioniert." Thompson zufolge ist IVF nach wie vor ein manueller Prozess, weil niemand einen Embryo – also einen potenziellen Menschen – einem Mikrogerät anvertrauen möchte, in dem er bereits durch etwas so Winziges wie eine Luftblase eingeklemmt oder geschädigt werden könnte.

Vor ein paar Jahren sah Thompson jedoch Bilder eines winzigen Eiffelturms, der gerade einmal einen Millimeter groß war. Er war mit einer neuen Art des additiven 3D-Drucks hergestellt worden, bei dem Lichtstrahlen darauf gerichtet sind, flüssige Polymere zu härten. Er beschloss, dass dies der nötige Durchbruch war, weil er damit "eine Box oder einen Käfig um einen Embryo" bauen konnte.

Seitdem hat das von ihm gegründete Start-up Fertilis mehrere Millionen Dollar eingeworben, um durchsichtige Hüllen oder Mikrowiegen zu drucken. Die Idee dahinter: Die Eizellen lassen sich, sobald sie in eine solche Hülle gelegt werden, einfacher handhaben. Dann können weitere Geräte angeschlossen werden, zum Beispiel Pumpen, die Lösungen in winzigen Mengen hinzufügen.

"Stress für Embryonen und Eizellen minimieren"

Die Fertilis-Hülsen sind nicht größer ist als ein Nebeltröpfchen, aber der Behälter selbst ist groß genug, um ihn mit einer kleinen Zange aufzunehmen. Das Unternehmen hat Ergebnisse veröffentlicht, die zeigen, dass die Eier in den Behältern tiefgefroren und dort auch befruchtet werden können, wenn mit einer Nadel ein Spermium hineinbugsiert wird.

Ein menschliches Ei hat einen Durchmesser von etwa 0,1 Millimetern und liegt damit an der Grenze dessen, was ein menschliches Auge ohne Hilfe sehen kann. Um eine Eizelle zu bewegen, muss ein Embryologe sie derzeit in eine Hohlnadel einführen und wieder herausspritzen. Aber Thompson zufolge können die Eizellen, sobald sie sich in dem Mikrobehälter des Unternehmens befinden, befruchtet werden und zu [einige Tage alten, Anmerkung der Redaktion] Embryonen heranwachsen, die sich wie auf einem Fließband durch die Stationen eines Roboterlabors bewegen. Das große Ziel sei, "den Stress für Embryonen und Eizellen zu minimieren", sagt er. Thompsons Vision ist, dass Ärzte in Zukunft Eizellen aus den Eierstöcken einer Frau entnehmen, diese direkt in eine Mikrowiege legen und von Robotern pflegen lassen, bis sie sich zu gesunden Embryonen entwickeln.

Für die Entwicklung genau eines solchen Eizellensammelsystems hat das Unternehmen AutoIVF, eine Ausgründung aus einem Mikrofluidik-Labor des Massachusetts General Hospital an der Harvard University, mehr als vier Millionen Dollar an Bundeszuschüssen erhalten. Das Start-up nennt die Technologie "OvaReady".

Die Eizellentnahme erfolgt, nachdem eine Patientin mit Fruchtbarkeitshormonen behandelt wurde. Dann saugt ein Arzt zunächst mit einer Vakuumsonde die in den Eierstöcken gereiften Eizellen auf. Da die Eizellen in flüssigen Ablagerungen schwimmen und von schützendem Gewebe umhüllt sind, muss ein Embryologe jede einzelne Eizelle manuell finden und sie mit einem Glasstrohhalm vorsichtig reinigen.

Eizellen und Spermien aufspüren

Ein leitender Angestellter von AutoIVF, Emre Ozkumur, lehnte es ab, über das Projekt zu sprechen. Das Unternehmen möchte "noch etwas länger unter dem Radar fliegen", wie er sagt. Doch Fördermittel- und Patentdokumente des Start-ups lassen vermuten, dass es ein Gerät testet, das Eizellen aufspüren und isolieren kann, um sie dann automatisch vom umgebenden Gewebe zu befreien, möglicherweise indem es sie durch eine Art mikroskopisch kleine Käsereibe schleust.

Sobald eine Eizelle verfügbar ist, müssen Ärzte sie mit einer geeigneten Samenzelle zusammenbringen. Um bei dieser Auswahl zu helfen, hat der mexikanische Fruchtbarkeitsmediziner Alejandro Chavez-Badiola mit seinem Unternehmen IVF 2.0 eine Software entwickelt, die in einer Petrischale umherwuselnde Spermien einstufen und analysieren kann. Es ist vergleichbar mit Computer-Vision-Programmen, die Sportler auf dem Spielfeld beim Laufen, Zusammenstoßen und Richtungswechsel verfolgen.

Die Aufgabe besteht darin, gesunde Spermien zu identifizieren, indem man ihre Form beurteilt und sieht, wie gut sie schwimmen. "Motilität ist der ultimative Ausdruck für die Gesundheit und Normalität von Spermien", sagt Chavez-Badiola. Während ein Mensch nur einige wenige Spermien auf einmal im Auge behalten kann, sind Computer dieser Einschränkung nicht unterworfen. "Wir Menschen sind gut darin, unsere Aufmerksamkeit auf einen einzigen Punkt zu lenken. Wir können fünf oder zehn Spermien beurteilen, aber nicht 50", erklärt Chavez-Badiola.

Software als "Gehirn für die Steuerung künftiger automatisierter Labors"

Seine IVF-Klinik führt derzeit eine Studie durch, bei der menschliche und vom Computer ausgewählte Spermien verglichen werden, um zu sehen, welche zu mehr Babys führen. Bislang hat der Computer einen kleinen Vorsprung. "Wir behaupten nicht, dass er besser ist als ein Mensch, aber wir behaupten, dass er genauso gut ist. Er wird zudem nie müde. Ein Mensch aber muss um 8 Uhr morgens, nach einem Kaffee oder auch nach einem Telefonstreit in Form sein", sagt er.

Chavez-Badiola glaubt, dass eine solche Software "das Gehirn für die Steuerung künftiger automatisierter Labors" sein wird. Dieses Jahr verkaufte er die Nutzungsrechte für sein Spermienverfolgungsprogramm an Conceivable Life Sciences, einem in New York gegründeten IVF-Automatisierungs-Start-up, bei dem Chavez-Badiola als Chief Product Officer fungieren wird. Das Unternehmen beschäftigt auch den bekannten Embryologen Jacques Cohen, der früher in jener britischen Klinik gearbeitet hat, in der 1978 das erste IVF-Baby Louise Brown geboren wurde [8].

Conceivable Life Sciences plant die Entwicklung eines autonomen Roboterarbeitsplatzes, der Eizellen befruchten und Embryonen züchten kann, und hofft, alle wichtigen Schritte noch in diesem Jahr demonstrieren zu können. Cohen räumt jedoch ein, dass es eine Weile dauern könnte, bis die Automatisierung Realität wird. "Es wird Schritt für Schritt gehen", sagt er. "Selbst offensichtliche Dinge brauchen zehn Jahre, um sich durchzusetzen, und 20, um zur Routine zu werden."

Boost für die IVF-Industrie

Conceivables Investoren glauben, dass sie durch die Ausweitung von IVF-Behandlungen Geld verdienen können. Es ist fast sicher, dass die IVF-Industrie auf das Fünf- oder Zehnfache ihres derzeitigen Umfangs anwachsen könnte. In den USA werden weniger als zwei Prozent der Kinder auf diese Weise geboren, aber in Dänemark, wo das Verfahren kostenlos ist und gefördert wird, liegt die Zahl bei zehn Prozent [9].

"Das ist der wahre Bedarf", sagt Alan Murray, ein Unternehmer mit Erfahrung im Bereich Software und Co-Working-Spaces. Er hat Conceivable mit seinem Geschäftspartner Joshua Abram gegründet. "Die Herausforderung besteht darin, dass diese wunderbaren, reichen und exzentrischen Länder das können, aber der Rest der Welt nicht. Aber sie haben gezeigt, dass die Menschen wirklich etwas brauchen", sagt er. "Was sie mit Geld erreicht haben, müssen wir mit Technologie schaffen."

Murray schätzt, dass es in den USA durchschnittlich 83.000 Dollar kostet, bis ein Baby per IVF geboren wird, wenn man die häufig vorkommenden Fehlversuche mit einbezieht. Das Ziel seines Unternehmens sei es deshalb, die Kosten um 70 Prozent zu senken. Das sei möglich, wenn die Erfolgsraten steigen.

Es ist jedoch nicht sicher, dass Roboter die Kosten für IVF senken oder dass die Einsparungen an die Patienten weitergegeben werden. "Der Trend geht in Richtung einer Anhäufung von Tests und Technologien, und nicht in Richtung einer echten Anstrengung, die Zugangsbarrieren zu senken", sagt Rita Vassena, Beraterin von Conceivable und Wissenschaftsvorstand bei Fecundis, einem Unternehmen für Fruchtbarkeitsforschung. In der Vergangenheit habe es immer wieder Innovationen gegeben, ohne dass sich die Schwangerschaftsraten spürbar erhöht hätten.

Erste Kinder geboren

Im vergangenen Herbst veröffentlichten die Forscher von Overture und die Ärzte von New Hope eine Beschreibung ihrer Arbeit mit dem Roboter [10] und behaupteten, dass zwei Patientinnen schwanger geworden seien. Dies geschah, nachdem sie die ethische Genehmigung für die Studie erhalten hatten, sagt John Zhang, Gründer von New Hope und Hauptautor des Berichts.

Beide Kinder seien inzwischen geboren worden, sagt Jenny Lu, Koordinatorin für Eizellspenden bei New Hope. MIT Technology Review konnte mit dem Vater eines der Kinder sprechen.

"Es ist verrückt, nicht wahr?", sagte der Vater, der anonym bleiben möchte. "Sie sagten, bisher sei das immer manuell gemacht worden." Er sagte, dass er und seine Partnerin bereits mehrere IVF-Versuche unternommen hatten, jedoch ohne Erfolg. In beiden Fällen der Roboterinjektion wurden Spendereier verwendet, die den Patienten kostenlos zur Verfügung gestellt wurden (sie können sonst 15.000 Dollar kosten). Nachdem sie befruchtet und zu Embryonen herangewachsen waren, wurden sie in beiden Fällen in die Gebärmutter der Patientin eingepflanzt.

Spendereier werden meist verwendet, wenn eine Patientin älter ist, etwa in den 40ern, und sonst nicht schwanger werden kann. Da die Automatisierung das Problem der alternden Eizellen nicht direkt lösen kann, wird ein IVF-Labor in einer Box auch nicht den Grund für das Scheitern von Fruchtbarkeitsbehandlungen beheben. Die Automatisierung könnte es den Ärzten jedoch ermöglichen, genau zu messen, was sie tun, und so ihre Verfahren feiner abzustimmen. Selbst eine kleine Steigerung der Erfolgsquote könnte jedes Jahr Zehntausende zusätzlicher Babys bedeuten.

Das Berufsbild des Embryologen wird sich wandeln

Kathleen Miller, leitende Wissenschaftlerin von Innovation Fertility, einer Klinikkette im Süden der USA, sagt, dass ihre Zentren jetzt Computer-Vision-Systeme einsetzen, um Zeitraffervideos von wachsenden Embryonen zu studieren und herauszufinden, ob irgendwelche Daten erklären, warum einige zu Babys werden und andere nicht. "Wir setzen die Daten in Modelle um, und die Frage lautet: 'Sagen Sie mir etwas, das ich noch nicht weiß'", sagt sie. "Wir werden sehen, wie sich das Berufsbild des Embryologen weiterentwickelt", sagt Miller voraus. "Im Moment sind sie noch Techniker, aber sie werden zu Datenwissenschaftlern".

Für einige Befürworter der IVF-Automatisierung sieht die Zukunft noch wilder aus. Indem sie die Empfängnis in die Hände von Maschinen legen, könnte die Automatisierung die Einführung von noch umstrittenen Techniken wie Genom-Editing oder fortschrittlichen Methoden zur Erzeugung von Eizellen aus Stammzellen beschleunigen.

Obwohl Munné sagt, dass Overture Life keine Pläne hat, das Erbgut von Kindern zu verändern, glaubt er, dass es ein Leichtes wäre, den Spermieninjektionsroboter zu diesem Zweck zu verwenden, da er präzise Mengen von Gen-Editing-Chemikalien in eine Eizelle einbringen kann. "Es sollte sehr einfach sein, die Maschine zu erweitern", sagt er.

Noch mehr spekulative Technologie ist am Horizont zu sehen. Fruchtbarkeitsmaschinen könnten sich allmählich zu künstlichen Gebärmüttern entwickeln, in denen Kinder bis zur Geburt in wissenschaftlichen Zentren ausgetragen werden. "Ich glaube, dass wir es schaffen werden", sagt Thompson. "Es gibt glaubwürdige Beweise dafür, dass das, was wir für unmöglich hielten, gar nicht so unmöglich ist."

Andere stellen sich vor, dass Roboter irgendwann in den Weltraum geschossen werden könnten, gefüllt mit Eizellen und Spermien, die in einem glasartigen Zustand der Stasis gehalten werden. Nach einer tausendjährigen Reise zu einem fernen Planeten könnten solche Maschinen hochfahren und eine neue Gesellschaft von Menschen gründen.

Das alles ist Teil des Ziels, mehr Menschen zu schaffen, und zwar nicht nur hier auf der Erde. "Es gibt Leute, die denken, dass die Menschheit eine interplanetarische Spezies sein sollte, und dass die Lebenszeit der Menschen nicht ausreicht, um diese Welten zu erreichen", sagt Chavez-Badiola. "Ein Teil der Aufgabe eines Wissenschaftlers ist es, weiter zu träumen."

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(vsz [12])

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Links in diesem Artikel:
[1] https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4207908
[2] https://www.overture.life/
[3] https://www.autoivf.com/
[4] https://www.ivf20.ai/
[5] https://www.conceivable.life/
[6] https://www.fertil.is/
[7] https://www.rbmojournal.com/article/S1472-6483(18)30598-4/pdf#:~
[8] https://www.heise.de/hintergrund/Zahlen-bitte-Mit-800-Pfund-zum-ersten-Retortenbaby-3779599.html
[9] https://www.bbc.com/news/world-europe-45512312
[10] https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4207908
[11] https://www.instagram.com/technologyreview_de/
[12] mailto:office@technology-review.de

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