Endokrine Kontrolle der Ovarfunktion

Erste Beschreibungen der weiblichen Genitalien fanden bereits bei Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. Erwähnung (Historia animalium). Die ersten genauen anatomischen Schilderungen sowie die Zusammenhänge und deren physiologische Bedeutung in der Reproduktion wurden erstmals um 300 v. Chr. durch Herophilus von Alexandrien verfasst.

In den folgenden Jahrhunderten gab es keinen nennenswerten wissenschaftlichen Zugewinn. Erst im 16. Jahrhundert beschrieb Andreas Vesalius die genauere Struktur des Ovars mit Follikelbildung und Ausbildung des Corpus luteum. Die ersten biochemischen und strukturellen Untersuchungen zur Follikelreifung wurden von Renier de Graaf 1672 verfasst. Drelincourt erkannte etwa um die gleiche Zeit, dass die Eizelle in dem Graaf-Follikel eingeschlossen ist und nicht das Ganze als Eizelle zu bezeichnen ist.

In den folgenden Jahren Ende des 17. Jahrhunderts wurde von Boerhave über die Theorie der Befruchtung der Eizelle und deren Aufnahme in die Tube berichtet. Im Weiteren folgten die ersten detaillierten Beschreibungen einer Säugetiereizelle (von Bear) und Beobachtungen zum Konzeptionsoptimum (Raciborski 1875; zit. in Albrecht 1936). Dieser fand auch heraus, dass Frauen, die ihre Hochzeit 7–10 Tage nach der Regelblutung hatten, häufiger schwanger wurden. Somit waren die ersten Beobachtungen zum Konzeptionsoptimum niedergelegt. Das widerlegte die zuvor gültige Meinung, dass die fruchtbaren Tage während der Regelblutung seien, konnte diese aber bis in das 20. Jahrhundert nicht ausräumen (Döderlein 1985).

Die inneren weiblichen Genitalien setzen sich aus verschieden gruppierten Strukturen zusammen. Hierzu zählen die paarig angelegten Anteile der Wolff- und der Müller-Gänge sowie der Sinus urogenitales. Die Wolff-Gänge sind ursprünglich die exkretorischen Gänge des Mesonephrons, der Vorniere und der Urniere. Die Wolff- und Müller-Gänge sowie der Sinus urogenitalis differenzieren sich im embryonalen Zeitraum bis zur 12. SSW hormonabhängig in den jeweiligen geschlechtsspezifischen Phänotyp (Abb. 1). Die Müller-Gänge bilden die Tuben, Uterus, Zervix und das obere Scheidendrittel. Der Uterus ist zunächst bicornual angelegt und entwickelt später ein einheitliches Kavum (Strowitzki 2009).

Das Ovar entwickelt sich aus einem Teil des Zölomepithels, welche die indifferente Gonadenanlage darstellt. Aus den Urkeimzellen, die dem Dottersack entstammen und in die indifferente Gonadenanlage einwandern, entstehen ab der 12. SSW etwa 6 Mio. Oogonien (Wilhelm und Koopman 2006), die in etwa der 13. Entwicklungswoche nach Verdopplung der DNA in die erste Meiose eintreten. Nun werden sie als primäre Oozyten bezeichnet.

Nach der Prophase I wird die Meiose unterbrochen. Dieses Stadium wird als Diktotän bezeichnet und ist die Ruhephase zwischen der Prophase und der Metaphase I. Hier bildet sich eine umgebende Zellenschicht aus flachen Follikelzellen, die später im Zyklus zur Granulosazellschicht proliferiert. Danach werden sie als Primärfollikel bezeichnet.

Die Anzahl der Eizellen im Ovar sinkt bis zur Pubertät kontinuierlich ab. So sind bei Geburt noch ca. 1 Mio. primäre Oozyten vorhanden, bei Erreichen der Pubertät etwa 400.000.

Auf die hormonelle Steuerung der präpubertären Phase soll aber in diesem Kapitel nicht eingegangen werden (Ludwig et al. 2007).

Das Ovar ist das zentrale Organ bei der Entwicklung und Reifung von Eizellen. Bereits im Mutterleib produzieren die Eierstöcke des ungeborenen weiblichen Fetus Follikel, deren Anzahl in der 20. Schwangerschaftswoche (SSW) ein Maximum von etwa 6 Mio. erreicht und bis zur Pubertät auf ca. 400.000 Primordialfollikel abfällt (Abb. 6). Ab der 28. SSW steigt die Rate der Atresie, d. h. der Verlust von Oozyten durch anovulatorische Prozesse. Die Follikelreserve wird durch die Rate der Mitose sowie Atresie bestimmt, deren Erschöpfung das Ende der fruchtbaren Phase widerspiegelt. Dabei reifen nur ca. 300–400 der Follikel bis zur Ovulation heran, die meisten erreichen das Niveau nicht und degenerieren im Verlauf.

Oogonien sind prämeiotische Keimzellen, die nach multiplen Mitosen in den Meiosezyklus eintreten und damit zur meiotischen Oozyte werden. Die Keimzellen treten um die 8.–13. SSW in die Meiose ein. Die Meiose stellt eine 2-phasige Zellteilung dar, in der sich kurz vor der ersten Reifeteilung der Chromosomensatz verdoppelt. In der Prophase findet der Austausch von maternalen und paternalen Chromatidenbruchstücken zwischen den homologen Chromosomen statt, das sog. „crossing over“. Die Meiose arretiert in der letzten Phase der Prophase, dem sog. Diktyotänstadium, in dem die Oozyten bis zur Ovulation von Prägranulosazellen umgeben als Primordialfollikel verharren. Die Follikulogenese unterliegt einem orchestralen Zusammenspiel verschiedenster Faktoren. Hierzu gehören nicht nur das FSH und das LH, sondern auch die Androgene, das AMH und Stammzellfaktoren, LIF (leukemia inhibiting factor) sowie Wachstumsfaktoren wie das GDF9 (Hsueh et al. 2015; Dewailly et al. 2016). Die einzelnen Faktoren beeinflussen sich gegenseitig in der Follikulogenese, zeigen in In-vitro- und In-vivo-Versuchen aber auch alleine Effekte in der Reifung der Follikel.

Primordialfollikel stellen die Ursprungfollikel dar, aus denen sich im Verlauf die weiteren Stadien eines Follikels entwickeln (Abb. 7). Sie bestehen aus Oozyten, die von einem flachen Saum aus Zölomepithelzellen umgeben sind. Die Rekrutierung der heranreifenden Follikel aus dem Pool der Primordialfollikel unterliegt zwei z. T. nebeneinander ablaufenden Prozessen. Zum einen besteht ein kontinuierliches Übertreten von Primordialfollikeln in heranreifende Follikel vom Anbeginn der Fetalperiode bis zur Erschöpfung der ovariellen Reserve (Abb. 6).

Des Weiteren werden durch die zyklusabhängige Stimulation Primordialfollikel zur weiteren Ausdifferenzierung induziert. Letztgenannte beginnt erst mit dem Eintritt in die Pubertät und unterliegt der zyklischen Wirkung des follikelstimulierenden Hormons (FSH) (McGee und Hsueh 2000). Das kontinuierliche Übertreten scheint durch ein komplexes System aktivierender und inhibierender Substanzen aus Oozyten, Stroma und somatischen Zellen gekennzeichnet zu sein (O’Brien et al. 2003).

Der Verlust von Oozyten durch nichtovulatorische Prozesse wird Atresie genannt und stellt den häufigsten Werdegang von Follikeln dar. Bereits bei der Geburt sind ca. 80 % aller Follikel atretisch, zu Beginn der Pubertät sogar 95 % (Abb. 6; Himelstein-Braw et al. 1976). Verschiedene Hormone sowie Wachstumsfaktoren fördern (Androgene, GnRH, IL-6) oder reduzieren (hypophysäre Gonadotropine, Östrogene, IGF-1, EGF, TGF-α) die Atresie (Matsuda-Minehata et al. 2006; Craig et al. 2007; Walters et al. 2008). Östrogen- sowie Gonadotropinentzug jeglicher Art beschleunigen den apoptotischen Prozess.

Die Gesamtheit der Primordialfollikel stellt die Ovarreserve dar. Das kontinuierliche Übertreten dieser unreifen Follikel zu weiteren Reifungsphasen entleert die Reserve im Laufe der Jahre. Etwa im 37. Lebensjahr ist eine kritische Zahl von etwa 25.000 verbleibenden Follikeln erreicht, woraufhin die Rate der in die Follikulogenese übertretenden Primordialfollikel kurzzeitig ansteigt und anschließend rapide abfällt bis zum Eintritt in die Menopause bei etwa 1000 verbleibenden Primordialfollikeln (Faddy und Gosden 2007).

Bei der Reifung zu Primärfollikeln verbreitern sich die Zölomepithelzellen, welche die Oozyte umgeben, sodass diese jetzt eine kubische bzw. hochprismatische Form einnehmen. Die Umwandlung von Primordial- zu Primärfollikel ist kausal nicht erklärt (McGee und Hsueh 2000). Die Basalmembran ist deutlicher zu sehen. Zwischen Eizelle und Epithelzellen bildet sich ein Spalt, der von der späteren Zona pellucida ausgefüllt wird. Um die Oozyte herum verbleibt ein schmaler sog. perivitelliner Spalt (Abb. 7).

Bei der Entwicklung zum Sekundärfollikel teilt sich das Follikelepithel zu einer mehrschichtigen Zellschicht und wird durch die vermehrte lichtmikroskopisch sichtbare Granulierung Granulosazellschicht oder Stratum granulosum genannt. Es umgibt die Oozyte, die auf 120–150 μm heranwächst und eine Basalmembran ausbildet (Knight und Glister 2006). Zwischen beidem liegt die Zona pellucida, eine amorphe Substanz, die aus den Glykoproteinen ZP1, ZP2 und ZP3 besteht. Sie wird vermutlich sowohl von der Oozyte als auch von dem Follikelepithel synthetisiert. Die genaue Funktion der Substanz ist nicht bekannt. Es werden bei Mutationen in den Proteinen Zusammenhänge mit Infertilität und Kanzerogenese vermutet (Plaza et al. 2010).

Ab dem Sekundärfollikel bildet sich um das Follikelepithel herum eine Schicht von Stromazellen, die Theca folliculi (Knight und Glister 2006). Die Zellen unterscheiden sich histologisch von den weiteren Stromazellen und bilden eine gefäßreiche innere und eine gefäßarme äußere Schicht. Dadurch ist der Follikel ab dem späten Sekundarstadium vaskularisiert, wodurch die gonadotropen Hormone verstärkt Einfluss auf die Follikelreifung nehmen. Ebenso werden die follikulären Zellen dadurch mit Substraten für die Steroidsynthese versorgt, wodurch die ausgeprägte Syntheseleistung in der Lutealphase gewährleistet ist.

Ab dem späten Sekundärstadium spricht man von antralen Follikeln, da sie durch die Ausbildung eines Hohlraums (Antrum) gekennzeichnet sind. Das Antrum ist eine flüssigkeitsgefüllte Struktur, die in voller Reife des Graaf-Follikels eine Größe von bis zu 2,5 cm erreichen kann. Dabei teilen sich die Granulosazellen auf. Ein Saum umgibt die gesamte Follikelhöhle. Ein weiterer, der Cumulus oophorus, legt sich um die Eizelle und die Zona pellucida.

Die Entwicklung der Follikel wird im Wesentlichen durch die vermehrte Expression von Rezeptoren im Follikel und die Aktivität der Aromatase gesteuert. Hierbei spielen der FSH, LH, Androgene und AMH-Rezeptoren wahrscheinlich eine wesentliche Rolle (Durlinger et al. 2001). Auch Polymorphismen der LH, FSH und AMH-Rezeptoren beeinflussen die Ansprechbarkeit der Follikel auf Hormone und zeigen in vivo bei der Stimulation mit rekombinantem FSH unterschiedliche Follikelzahlen bei gleicher Dosis. Auch wird das erhöhte Risiko eines Überstimulationssyndroms unter anderem mit FSH-Rezeptorpolymorphismen in Verbindung gebracht (Loutradis et al. 2006).

Die Vaskularisierung der Thekazellschicht nimmt weiter zu, sodass die Oozyte kontinuierlich mit der Granulosazellschicht bis zu einer Größe von 400 μm heranwächst (Oktem und Urman 2010). In jedem Ovar reifen pro Zyklus 3–11 antrale Follikel heran. Sie haben eine Größe von 2–5 mm. Aus ihnen geht der präovulatorische Graaf-Follikel hervor. Dieser zeichnet sich durch ein rascheres Wachstum aus und erreicht eine Größe von 8,5–14 mm zwischen dem 5. und 12. Zyklustag.

Jeder Follikel enthält eine Eizelle, die umgeben ist von einer inneren Schicht aus Granulosa- und einer äußeren Schicht aus Thekazellen (Abb. 8). Aus den herangereiften Follikeln in einem Zyklus setzt der dominante Follikel die Eizelle im Rahmen der Ovulation frei. Die zurückbleibenden Granulosa- und Thekazellen werden zum Corpus luteum umgewandelt und produzieren die nötigen Steroide zur Aufrechterhaltung einer Schwangerschaft.

Die Entwicklung vom Primär- zum Sekundärfollikel kann beim Menschen bis zu Monate andauern und scheint von Gonadotropinen unabhängig zu sein (Oktem und Oktay 2008). Erst ab dem frühen Sekundärstadium sind auf den Follikeln FSH-Rezeptoren nachweisbar. Außerdem scheint das AMH eine Rolle in der Entwicklung der Follikel in der Frühphase vor Beginn der Aktivität der Granulosazellung und Bildung von E2 zu spielen (Dewailly 2016). In den weiteren Stadien interagiert das FSH mit anderen Mediatoren des Ovars, die von den Granulosazellen, Thekazellen und Oozyten freigesetzt werden (Oktem und Urman 2010).

Das Wachstum von präantralen und frühen Antralfollikeln ist gekennzeichnet durch hochregulierte LH- und FSH-Rezeptoren und vermehrte Aromataseaktivität zur Umwandlung von Androgenen zu Östrogen bedingt durch die Mediatoren Activin-A und TGF-β. Die Thekazellschicht synthetisiert unter dem Einfluss von LH vermehrt Androgene, die durch die Basalmembran zu der Granulosazellschicht diffundieren. Dort werden sie mit Hilfe der Aromatase, die durch FSH hochreguliert wird, zu Östrogenen umgewandelt. Es entsteht in dem Follikel ein Gleichgewicht zwischen Androgenen und Östrogenen.

Die Stimulation durch FSH ist die Voraussetzung für die Aromataseaktivität und damit für das hormonelle Gleichgewicht im Tertiärfollikel. Die unreiferen Primär- und Sekundärfollikel bilden aufgrund des geringeren Ansprechens auf FSH keine Aromatase. Es kommt in diesen Follikeln zu einem Androgenüberschuss mit konsekutiver Atresie der Follikel.

Die Stimulation durch FSH erfolgt in wellenförmigen Schüben. Es kommt in einem Zyklus zu mehrfachem Auftreten von an Größe zunehmenden Follikeln (Baerwald et al. 2003). Dieses ist auch aus der Praxis der Stimulation belegt. Die Wellen der stimulierbaren Follikelkohorten können durch eine doppelte oder auch mehrfache Stimulation zur Ausbildung reifer Follikel führen (Vaiarelli et al. 2017).

Die Eizellreifung erfolgt nach heutigen Erkenntnissen im Wesentlichen durch ein Zusammenspiel von drei wichtigen Akteuren. Das FSH, die Androgene und das AMH. Das AMH scheint eine wichtigere Rolle zu spielen, als bisher angenommen. Die Zusammenhänge sind in der nach Lebbe und Woodruff modifizierten Abb. 9 dargestellt.

Um den 7. Zyklustag erfolgt die Selektion des zur Ovulation bestimmten, dominanten Follikels. Der Mechanismus dieses Geschehens ist nicht bekannt. Es kommt ab diesem Zeitpunkt durch die Zunahme der Aromataseaktivität in den Granulosazellen zu einem kontinuierlichen Anstieg der Östradiolkonzentration im Blut.

Neben Östrogen wird durch den dominanten Follikel Inhibin B synthetisiert. Dieses bewirkt einen Abfall der FSH-Serumspiegel bei ansteigender Androgensekretion. Das entstehende Milieu mit hohem Östradiolspiegel bei niedrigem FSH wird während der präovulatorischen Phase benötigt. Durch den Einfluss des Östrogens auf die Hypophyse nimmt die LH-Sekretion zu. LH induziert wiederum die Thekazellschicht zu nochmals verstärkter Androgensynthese und -sekretion.

In dem präovulatorischen Stadium erreicht die Östrogenkonzentration den Schwellenwert von 150 pg/ml (über 36 h) und löst die ovulatorische LH-Sekretion aus. Zum gleichen Zeitpunkt setzt die Progesteronsynthese bereits ein, wodurch es simultan zum LH-Anstieg zu einem erneuten Anstieg des FSH kommt. Dies fördert im Corpus luteum die Bildung von LH-Rezeptoren und bereitet es dadurch auf seine Funktion in der Lutealphase vor.

Die Ovulation stellt die Freisetzung der reifen Eizelle aus einem präovulatorischen Follikel dar. Die stetig ansteigende Östrogenkonzentration – durch vermehrte Androgensekretion in den Thekazellen und zunehmende Aromataseaktivität in den Granulosazellen – prägt die erste Hälfte des Zyklus. Ab einem Schwellenwert von 150 pg/ml über einen Zeitraum von 36 h in der späten Follikelphase setzt der Hypothalamus Gonadotropin-releasing-Hormon (GnRH) frei, das in der Hypophyse die Freisetzung des luteinisierenden Hormons (LH) induziert (Christian und Moenter 2010). Der LH-Gipfel im Blut und damit die Wirkung des Hormons dauert etwa 48 h. Bei zu kurzer oder zu schwacher LH-Exposition kommt es zwar zur Meiose und Luteinisierung, jedoch nicht zur Ruptur des Follikels. Somit findet weder ein eigentlicher Eisprung noch die Ausbildung eines Corpus luteum statt.

Der präovulatorische Follikel unterliegt weiteren Veränderungen, die die Granulosa- sowie Thekazellen und die Oozyte betreffen. Der Follikel vergrößert sich bis auf 25 mm und liegt dicht unter der Oberfläche des Ovars. Die Wand des Ovars wölbt sich an dieser Stelle hervor. Sie wird jedoch nicht durch mechanische Faktoren, wie etwa erhöhten intrafollikulären Druck, zur Ruptur gebracht. Diverse Substanzen bewirken kombiniert Thrombosen, Ischämien und Nekrosen und dauen dadurch die oberflächlichste Schicht des Ovars an (Markosyan und Duffy 2009; Murdoch et al. 2010; Ohnishi et al. 2005). Zu ihnen zählen Plasmin, Kollagenasen und Proteinasen.

Der Anstieg von LH wirkt in dem ovulatorischen Follikel über einen cAMP- oder Phospholipase-Cβ3-abhängigen Mechanismus (Donadeu et al. 2011; Duffy 2011). Zum einen bewirkt es eine Hemmung der Oozytenmaturationsinhibitors, der seit dem Arrest der Oozyte im Diktyotänstadium die weitere Kernreifung hemmt (Channing et al. 1980). Die Meiose wird nach Hemmung des Inhibitors fortgesetzt (s. unten). Darüber hinaus initiiert die Stimulation via cAMP die Synthese von Prostaglandinen in den Granulosazellen (Duffy 2011).

Die Prostaglandine bewirken gemeinsam mit Gonadotropinen und Progesteron die Freisetzung und Aktivierung des Plasminogenaktivators aus den oberflächlichen Ovarepithelien. Über eine enzymatische Kaskade wird Plasmin gebildet, das selbst eine proteolytische Wirkung besitzt, zur Aktivierung von Kollagenasen führt und Tumornekrosefaktor α (TNF-α) freisetzt. Außerdem induziert LH die Synthese des Proteohormons Relaxin, das ebenfalls kollagenolytisch wirkt (Hwang et al. 1996).

Zusätzlich zu der Gesamtheit der oben genannten Substanzen, die die Wand des Ovars andauen, werden im Bereich der Follikelbasis Kontraktionen ausgelöst. Durch verschiedene Mediatoren, u. a. Endothelin-2 und Prostaglandinen, ausgelöst, unterstützen sie die Ovulation (Ko et al. 2006; Murdoch et al. 2010).

Die freigesetzte Oozyte wird vom Fimbrientrichter aufgenommen und Richtung Uterus transportiert.

Die im Diktyotän arretierte erste meiotische Teilung der Eizelle setzt sich im Rahmen der Ovulation fort (Tab. 1). Wie bereits erwähnt, hemmt LH den Ovulationsinhibitor, der von den Granulosazellen sezerniert wird. Nach Aufhebung der inhibitorischen Wirkung kann die meiotische Teilung nun fortgesetzt werden. Morphologisch sichtbar wird dies ca. 20–24 h nach Beginn der Reifung durch Auflösen der Kernmembran im Stadium der Diakinese, dem sog. „germinal vesicle breakdown“. Germinalvesikel wird der in der Prophase I vergrößerte Zellkern der Oozyte genannt. Er wird nach Auflösung der Kernmembran nach peripher verlagert, das Chromatin kondensiert.

Nach etwa 32 h ist die Metaphase I erreicht. Der 1. Polkörper wird nach 36 h ausgestoßen, womit die erste meiotische Reifeteilung mit der Anaphase I abgeschlossen ist. Die zweite meiotische Reifeteilung schließt sich nahtlos an. Die Oozyte verharrt bis zur Fertilisierung in der Metaphase II.

Die Meiose der Oozyte führt nur zu einer einzigen funktionsfähigen Oozyte und nicht, wie bei den Spermatozoen, zu 4 Gameten. Es entstehen so die Polkörperchen, die jeweils das nicht in der Oozyte enthaltene genetische Material enthalten. Sie können im Rahmen der IVF/ICSI zur genetischen Diagnostik herangezogen werden, um Fehlverteilungen des Chromosomensatzes oder Translokationen festzustellen noch vor der Verschmelzung des mütterlichen und väterlichen Erbguts.