Spermatogenese – Samenzellbildung

Die männliche Keimzellentwicklung, die sogenannte Spermatogenese (Synonym: Bildung von Spermien; Samenzellbildung) findet in den Testes (Hoden) des Mannes statt, wobei die Entwicklung beim Eintritt in die Pubertät zum ersten Mal abgeschlossen wird. Der gesamte Prozess dauert ca. 70 Tage. Da es sich um ein komplexes Geschehen handelt, ist es zunächst wichtig die Anatomie des Hodens und die regulierenden Hormone zu verstehen.

Vorab kurze Ausführungen zur Pubertätsentwicklung:

• Erstes echte Pubertätszeichen beim Knaben ist die Vergrößerung des Hodens von präpubertär 1-3 ml auf > 3 ml
  Zeitpunkt: > 9-12 (Mittelwert) – < 14 Jahren;
  
• Zunahme von Hodenvolumen oder Hodenlänge setzt mit ca. 12 Jahren ein (Schwankungsbreite: 10-14 Jahre)
• Pubarche (Schambehaarung) ca. 6 Monate später (mit ca. 12, 5 Jahren; Schwankungsbreite: 9-15 Jahre)
• Pubertätswachstumsschub setzt zusammen mit der Achselbehaarung (ca. 14 Jahre) ein
• Pollutionen (erste Samenergüsse) finden ca. mit 14,5 Jahren statt, zu diesem Zeitpunkt auch Stimmbruch* (erst nach Wachstumsschub); jetzt auch in ca. einem Drittel der Fälle Auftreten einer Acne vulgaris

*Jungen kommen heute im Durchschnitt bereits mit 13,1 Jahren in den Stimmbruch [2].

Von einer Pubertas praecox (zeitiger Pubertät) spricht man bei Jungen, wenn der Beginn der Pubertät vor dem 9. Geburtstag auftritt.

Hinweis: Jungen mit idiopathischer Pubertas praecox erreichen bei frühem Therapiebeginn mit einem GnRH-Analogon (Arzneistoffe, die zur künstlichen Absenkung des Testosteron- oder Östrogen-Spiegels im Blut eingesetzt werden) eine normale Erwachsenenkörpergröße.

Anatomie des Hodens

Der männliche Hoden besteht aus zwei unterschiedlichen Kompartimenten: Das tubuläre Kompartiment enthält die Tubuli seminiferi, die sogenannten Samenkanälchen. Diese sind vom Keimepithel ausgekleidet, das die teilungsaktiven Keimzellen und die sogenannten Sertoli-Zellen enthält. Die Sertoli-Zellen bilden als Stützzellen die Architektur des Epithels, ernähren die Spermien (Samenzellen) und koordinieren die Keimzellentwicklung. Das interstitielle Kompartiment wird durch die Testosteron produzierenden Leydig-Zellen, Bindegewebszellen, Makrophagen (Fresszellen), Blutgefäße und Nerven gebildet.

Endokrinologie der Spermatogenese (Samenzellbildung)

Die Spermatogenese wird durch eine Reihe von Hormonen gesteuert (Hypothalamus-Hypophyse-Hoden-Achse):

• Gonadotropin-Releasing-Hormon (GnRH) – Der Hypothalamus ist Teil des Diencephalons (Zwischenhirn) und besitzt als oberstes Steuerzentrum der vegetativen Körperfunktionen die Aufgabe, Kreislauf, Atmung, Flüssigkeits- bzw. Nahrungsaufnahme und das Sexualverhalten zu steuern. Zu diesem Zweck schüttet er eine Vielzahl von Hormonen aus, von denen das Gonadotropin-Releasing-Hormon (GnRH) Einfluss auf die Bildung der Hormone LH und FSH in der Hypophyse hat. Sie sind für die Regulation der Spermatogenese von Bedeutung.
• LH (luteinisierendes Hormon) – Dieses Hormon wird in der Hypophyse (Hirnanhangsdrüse) gebildet und stimuliert beim Mann die Testosteron-Produktion in den Leydig-Zellen des Hodens.
• FSH (follikelstimulierendes Hormon) – Dieses Hormon wird ebenfalls von der Hypophyse gebildet und wirkt direkt auf das Keimepithel des Hodens.

Sowohl Testosteron als auch FSH wirken direkt auf die Sertoli-Zellen des Hodens, die die Spermatogenese koordinieren.

Spermatogenese

Die Spermatogenese beginnt mit den Gonozyten, den Keimzellen, die während der fetalen Entwicklung angelegt werden. Nach der Geburt findet eine Weiterentwicklung in die sogenannten Spermatogonien statt. Diese unreifen Keimzellen können sich wiederholt mitotisch teilen (Vermehrungsteilungen) und bilden die Grundlage für die Spermatogenese. Die mitotische Teilung einiger Spermatogonien stellt zeitlebens den Bestand an Zellausgangspopulationen für die Spermatogenese sicher (Stammzellen).

In der Pubertät schließt sich die erste Reifeteilung an, sodass aus einer Spermatogonie zuerst eine primäre Spermatozyte und dann zwei sekundäre Spermatozyten entstehen. Nun folgt die zweite Reifeteilung: Der zuvor diploide ("zweifache") Chromosomensatz wird halbiert und es entstehen vier Spermatiden mit haploidem Chromosomensatz.

Hinweis!
Der Mensch besitzt 21 Chromosomen, die jeweils in doppelter Ausführung, d. h. diploid, vorhanden sind und zwei zusätzliche Geschlechtschromosomen (insgesamt 44). Bei der Fertilisation (Befruchtung) einer Oocyte (Eizelle) durch ein Spermium muss eine ebensolche Anzahl erreicht werden, sodass jede Keimzelle für sich nur 22 Chromosomen besitzt, also haploid ist.

Spermiogenese

Die Spermatiden teilen sich nicht weiter, sondern differenzieren sich in die Spermatozoen. Bei den Spermatozoen (= fertige Spermien) handelt es sich um aus dem Keimepithel gelöste Spermatiden.

Ein Spermatozoon sieht typischerweise wie folgt aus:

• Kopf – der Kopf enthält das dichte Chromatin (DNS)
• Mittelstück – das Mittelstück enthält Mitochondrien, die Energie für die Fortbewegung produzieren
• Schwanz

Die gesamte Entwicklung von den Spermatogonien bis zu Spermatozoen dauert ca. 74 Tage.

Die Spermatozoen werden nach vollständiger Differenzierung in den Nebenhoden transportiert, wo weitere Differenzierungsprozesse stattfinden (s. u. "Spermienreifung").

Spermienreifung

Die Spermien sind nun fertig entwickelt, allerdings sind sie bislang nicht in der Lage sich eigenständig zu bewegen. Sie werden jetzt durch die Eigenperistaltik der Samenkanälchen aus dem Hoden in den Nebenhoden befördert. Die Epididymis (Nebenhoden) besteht aus einem einzigen geknäulten, etwa 5 m langen Gang, in dem die Spermien entlang geleitet werden und dabei eine Reifung vollziehen. Dieser Prozess wird durch Reifungsfaktoren, die im Nebenhoden sezerniert (ausgeschüttet) werden, unterstützt. Während der Nebenhodenpassage, die etwa 2-10 Tage andauert, erhalten die Spermien die Fähigkeit der eigenständigen Fortbewegung sowie die Fähigkeit der Bindung an die weibliche Eizelle. Die Spermien bleiben bis zur Ejakulation (Samenerguss) im Nebenhoden.

Literatur

1. Physiologie; Erwin-Josef Speckmann; Elsevier, Urban & Fischer Verlag 2008
2. Brix N et al.: Timing of puberty in boys and girls: A population‐based study. Send to Paediatr Perinat Epidemiol. 2018 Oct 11. doi: 10.1111/ppe.12507.

Leitlinien

1. S1-Leitlinie: Pubertas praecox. (AWMF-Registernummer: 174 - 015), April 2019 Langfassung