Hyperspektrale Bildgebung und KI: neue Tools zur Verbesserung der Spermienselektion in der assistierten Reproduktion

Der Einsatz neuer Technologien verändert zahlreiche Bereiche der Medizin, darunter auch die assistierte Reproduktion. In diesem Zusammenhang eröffnen künstliche Intelligenz und hyperspektrale Bildgebung neue Möglichkeiten, Spermien deutlich präziser zu analysieren.

Bislang beruhte ein großer Teil der Spermienselektion auf Merkmalen, die mit konventioneller Mikroskopie sichtbar sind. Forschende arbeiten jedoch derzeit an Methoden, mit denen interne Informationen jeder einzelnen Zelle gewonnen werden können, ohne ihre Lebensfähigkeit zu beeinträchtigen.

Genau diese Forschungsrichtung wurde von IVI RMA Global und der Fundación IVI im Rahmen der 42. Jahrestagung der Europäischen Gesellschaft für Humane Reproduktion und Embryologie (ESHRE) vorgestellt. Dort wurden die Fortschritte gezeigt, die durch den kombinierten Einsatz von hyperspektraler Bildgebung und künstlicher Intelligenz erzielt wurden.

Die Herausforderung, das geeignetste Spermium auszuwählen

Bei Behandlungen der assistierten Reproduktion ist die Auswahl des Spermiums ein grundlegender Schritt. Techniken wie die In-vitro-Fertilisation (IVF) oder die ICSI nutzen alle verfügbaren Eizellen, während letztlich nur wenige Spermien aus Millionen ausgewählt werden.

Diese Situation hat dazu geführt, dass die Untersuchung des männlichen Gameten über Jahre hinweg weniger Aufmerksamkeit erhalten hat als andere an der Behandlung beteiligte Faktoren.

Dr. Nicolás Garrido, Direktor der Fundación IVI und Hauptprüfer der Studie, erklärt: „In einer Behandlung verwenden wir alle Eizellen, verwerfen aber Millionen von Spermien. Und jedes einzelne von ihnen ist genetisch unterschiedlich und kann zu einem anderen Ergebnis führen.“

Obwohl Fachleute Spermien traditionell anhand sichtbarer Parameter wie Beweglichkeit oder Morphologie auswählen, gibt es weitere interne Faktoren, die ihre reproduktive Kompetenz ebenfalls beeinflussen können.

Der sogenannte „molekulare Inhalt“ des Spermiums ist an Prozessen beteiligt, die mit der Befruchtung und der Embryonalentwicklung zusammenhängen. Bislang war seine Analyse jedoch komplex, da sie eine Schädigung der Zelle erforderte.

Wie funktioniert hyperspektrale Bildgebung?

Hyperspektrale Bildgebung ist eine Technologie, mit der biochemische Informationen gewonnen werden können, indem analysiert wird, wie Licht mit Zellen interagiert.

Während konventionelle Beobachtungssysteme hauptsächlich äußere Merkmale bewerten, erfasst diese Technik Signale bei unterschiedlichen Wellenlängen und liefert dadurch Informationen über die molekulare Zusammensetzung.

„Die hyperspektrale Bildgebung verändert das Paradigma, weil sie uns ermöglicht, biochemische Informationen über das Spermium zu gewinnen, ohne es zu schädigen. Dasselbe Spermium, das wir analysieren, können wir anschließend verwenden“, so Dr. Garrido.

Die Möglichkeit, die Zelle zu analysieren, ohne ihre Lebensfähigkeit zu beeinträchtigen, ist einer der wichtigsten Vorteile dieser Methode.

Künstliche Intelligenz zur Interpretation der Informationen

Die große Datenmenge, die durch hyperspektrale Bildgebung gewonnen wird, erfordert Tools, die diese Daten verarbeiten und interpretieren können.

In diesem Szenario ermöglicht künstliche Intelligenz, Zusammenhänge und Muster zwischen den molekularen Eigenschaften des Spermiums und den anschließend erzielten Ergebnissen zu erkennen.

„KI ermöglicht es uns, Informationen, die früher nicht zugänglich waren, in analysierbare Daten umzuwandeln. Wir gehen von der Beobachtung von Form und Bewegung dazu über, die Rolle des molekularen Inhalts des Spermiums analysieren und verstehen zu können“, erklärt Dr. Garrido.

Dank dieser Modelle lässt sich untersuchen, wie bestimmte interne Eigenschaften mit der Entstehung entwicklungsfähiger Embryonen zusammenhängen können.

Hin zu einer wahrscheinlichkeitsbasierten Selektion

Einer der relevantesten Aspekte der Studie ist die Entwicklung prädiktiver Modelle, mit denen das Potenzial jedes einzelnen Spermiums abgeschätzt werden kann.

„Die Analyse der hyperspektralen Bildgebung ermöglicht es uns, statistische Modelle zu entwickeln, um die individuelle Wahrscheinlichkeit jedes Spermiums vorherzusagen, sich zu einer entwicklungsfähigen Blastozyste zu entwickeln“, so Dr. Garrido.

Dieser Ansatz bedeutet eine wichtige Veränderung gegenüber der traditionellen Selektion, da er statistische Tools und datenbasierte Modelle in die Entscheidungsfindung einbezieht.

Welche Auswirkungen kann dies für Patientinnen und Patienten haben?

Ziel dieser Fortschritte ist es, die Wirksamkeit von Behandlungen der assistierten Reproduktion zu verbessern.

Eine präzisere Auswahl des Spermiums könnte dazu beitragen, die Schwangerschaftswahrscheinlichkeit zu erhöhen und die Anzahl der notwendigen Behandlungen zu verringern.

„Wenn wir in der Lage sind, das Spermium mit dem höchsten Potenzial auszuwählen, erreichen wir, dass Patientinnen und Patienten schneller Kinder bekommen – mit höheren Erfolgschancen und einer geringeren Notwendigkeit, Behandlungen zu wiederholen“, erklärt Dr. Garrido.

Zu den möglichen Vorteilen gehören:

• Weniger Behandlungszyklen.
• Verringerung der emotionalen Belastung im Zusammenhang mit dem Prozess.
• Optimierung der klinischen Effizienz.

Der nächste Schritt: mehr Informationen integrieren

Die Forschenden arbeiten derzeit an umfassenderen Modellen, die verschiedene Variablen im Zusammenhang mit dem reproduktiven Prozess einbeziehen können.

„Wir entwickeln Modelle, die die hyperspektrale Bildgebung des Spermiums mit der der Eizelle und mit klinischen Merkmalen der Patientin bzw. des Patienten kombinieren“, erklärt Dr. Garrido.

Dieser Ansatz berücksichtigt, dass die Embryonalentwicklung das Ergebnis mehrerer Faktoren und der Interaktion beider Gameten ist.

„Der Embryo hängt nicht nur vom Spermium ab. Auch die Eizelle spielt eine Rolle. Diese Interaktion zu verstehen, wird daher entscheidend sein, um die Ergebnisse weiter zu verbessern“, ergänzt er.

Die Einbeziehung zusätzlicher klinischer und biologischer Informationen könnte die Entwicklung zunehmend personalisierter Behandlungen fördern.

Wann könnte diese Technologie angewendet werden?

Obwohl die erzielten Ergebnisse vielversprechend sind, müssen vor der Einführung in die klinische Praxis noch weitere Validierungsphasen abgeschlossen werden.

„Unser Plan ist es, diese Studien in etwa einem Jahr abzuschließen und anschließend an ihrer Integration in die klinische Praxis zu arbeiten“, so Dr. Garrido abschließend.

Die Kombination aus hyperspektraler Bildgebung und künstlicher Intelligenz stellt eine neue Arbeitslinie innerhalb der assistierten Reproduktion dar, die auf eine präzisere und auf objektiven Daten basierende Spermienselektion ausgerichtet ist.

Die Möglichkeit, auf Informationen zuzugreifen, die bislang verborgen blieben, kann dazu beitragen, klinische Entscheidungen zu verbessern und die Erfolgschancen der Behandlungen zu erhöhen.

Dr. Nicolás Garrido

Direktor der IVI Foundation und Leiter der Forschungsverwaltung bei IVI RMA Global. Spezialisiert auf männliche Unfruchtbarkeit und Mitglied des wissenschaftlichen Komitees bei FIVI Valencia.

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