Entwicklung von Geräten für den Embryotransfer in der

H 12772
64. Jahrgang
6.2009
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Schwerpunkt
Energietechnik
Wirkung von Essigsäure auf den Geruch und
Geschmack von Erdbeeren
Analyse von Kapazitätsreserven bei automatischen
Melksystemen
Contents in English on:
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442
Welt der l andtechnik
Klaus Henning Busch
Rückblick: Entwicklung von Geräten
zum Embryotransfer bei Rindern
Ein komplexes biotechnisches Verfahren „Embryotransfer-Rind“ ist in der Deutschen Demokratischen Republik (DDR) in den 1980er-Jahren entwickelt worden. Der Embryotransfer bei
Rindern blieb nicht auf Anwendungen im Labormaßstab beschränkt. Durch die Entwicklung
eines entsprechenden Gerätesystems konnte dieses Verfahren auch unter den Bedingungen
der landwirtschaftlichen Praxis sicher realisiert werden. Eine breite Anwendung dieser effektiven Methode der Reproduktion von großen Tierbeständen war möglich. Das Verfahren und
das Gerätesystem hatten Ende der 1980er-Jahre ihre ersten Bewährungsproben in der landwirtschaftlichen Praxis erfolgreich bestanden.
Schlüsselwörter
Embryotransfer, Rinderhaltung, Biotechnik, Labor, Geräteentwicklung, In-vitro-Kultivierung, In-vitro-Befruchtung
Keywords
embryo transfer, cattle farming, bioengineering, laboratory,
development of device, in-vitro-cultivation, in-vitro-fertilization
Abstract
Busch, klaus henning
Development of an embryo-transfer
system for cattle breeding
landtechnik 64 (2009), no. 6, pp. 442-446, 4 figures,
17 references
the complex bioengineering method „embryo transfer in
cattle farming“ laid the foundation in the German democratic
republik (Gdr) in the 80‘s. this method was utilized beyond
the use in research labs. the system made possible the
broad use of such effective method for the reproduction of
big animal herds. end of the 80‘s the proof of concept was
provided for this method and this system in the agricultural
environment.
Die ab Mitte der 1960er-Jahre in der DDR entstandenen
Großanlagen der Tierproduktion erforderten unter anderem
auch eine effektive biotechnologische Organisation der Fort-
n
pflanzungsprozesse. Systematische Forschungsarbeiten hatten
an den zuständigen Instituten der Akademie der Landwirtschaftswissenschaften der DDR bereits Mitte der 1950er-Jahre
begonnen [1; 2; 3]. Ein erstes Ergebnis war die künstliche Besamung in der Rinderhaltung, die mit Beginn der 1960er-Jahre
im Zusammenhang mit der Einführung einer „industriemäßigen Produktion“ in der Landwirtschaft flächendeckend praktiziert wurde. Bei diesem Verfahren wird bekanntlich — neben
anderen positiven Effekten — das genetische Potenzial der Vatertiere sehr gut ausgenutzt [17].
Eine nächste Stufe sollte der Embryotransfer sein, mit dessen Hilfe nicht nur die Planungssicherheit bei der Fortpflanzung weiter zu verbessern war, sondern auch die Möglichkeit
bestand, das genetische Potenzial von Muttertieren stärker auszuschöpfen und den züchterischen Fortschritt wesentlich zu
fördern. Ein weibliches Rind bekommt während der Nutzungsdauer durchschnittlich drei bis vier Kälber. Gleichzeitig können
sich jedoch etwa 50 000 Eizellen entwickeln.
Erste grundlegende Arbeiten auf diesem Gebiet wurden bereits in den 1950er- und 1960er-Jahren durchgeführt. Zielstrebige
Arbeiten zur Schaffung eines Verfahrens für die breite Praxisanwendung begannen an den betreffenden Forschungseinrichtungen in den 1970er-Jahren. Ein wichtiges Ergebnis war die
Entwicklung von Verfahren zur nichtchirurgischen Übertragung
an Stelle der bisher üblichen chirurgischen Embryonengewinnung. Diese wesentliche Vereinfachung wurde um 1980 erreicht.
Weitere Schwerpunkte der Forschungsarbeiten waren die
Embryonenzellkultur und die Tiefgefrierkonservierung, die es
gestattet, die Embryonen auf eine Temperatur von - 196 °C abzukühlen. Bestandteil waren auch die frühzeitige Geschlechterdiagnose, die bereits an 7 Tage alten Rinderembryonen erfolgte,
sowie die mikrochirurgische Embryonenteilung zur Erzeugung
identischer Zwillinge.
6.2009 | landtechnik
443
Mit diesem Stand konnte Anfang der 1980er Jahre der schrittweise Einsatz des Verfahrens in der landwirtschaftlichen Praxis
erfolgen. Die ersten Kälber nach der Tiefgefrierkonservierung
wurden 1981 in Dummerstorf und 1982 in Jürgenstorf geboren.
Begleitet wurden die Forschungs- und Überleitungsarbeiten
durch Untersuchungen zur züchterischen und ökonomischen
Effizienz.
Bereits seit 1973 bestand ein „Zeitweiliges Internationales
Forschungskollektiv Eitransplantation“ unter Federführung des
Forschungszentrums für Tierproduktion der Landwirtschaftswissenschaften der DDR, an dessen Arbeit 25 Wissenschaftler
aus sieben osteuropäischen Ländern beteiligt waren.
Verfahren Embryotransfer
Der Embryotransfer ist ein biotechnisches Verfahren, bei dem
Embryonen von Spendern (Donoren) künstlich in die Gebärmutter von Empfängern eingebracht werden. Die Embryonen
können dabei aus anderen, oft künstlich befruchteten Weibchen
oder aus einer In-vitro-Fertilisation (künstliche Befruchtung im
Reagenzglas) stammen.
Von einem männlichen Hochleistungstier werden Spermien für die künstliche Befruchtung gewonnen. Das Muttertier,
ein Weibchen mit den gewünschten Eigenschaften, wird durch
Hormongaben zu einem mehrfachen Eisprung — einer Superovulation — gebracht. Diese Eizellen werden entweder im Muttertier künstlich befruchtet oder aus dem Muttertier entnommen und im Reagenzglas befruchtet. Sie entwickeln sich in
vitro zu Embryonen. Die im Muttertier befruchteten Eizellen
wachsen ebenfalls zu Embryonen heran und werden etwa sieben Tage nach der Befruchtung aus der Gebärmutter ausgespült. Auf - 196 °C tiefgekühlt, können Embryonen konserviert
und an beliebigen Einsatzorden in „Leihmütter“ bzw. Ammentiere transplantiert werden.
Gerätetechnik für den Embryotransfer
lösungen bzw. Maschinensystemen für andere Prozesse der
Pflanzen- und Tierproduktion folgen [10; 11]. Unter diesem Aspekt und in Anlehnung an die DDR-Norm TGL 22 290 „Technologische Begriffe der Landwirtschaft“ wurde das Gerätesystems
für den Embryotransfer als Gesamtheit verschiedenartiger,
hinsichtlich ihrer technischen und technologischen Parameter
aufeinander abgestimmter und sich ergänzender technischer
Arbeitsmittel zur Durchführung des gesamten Verfahrens verstanden. Abbildung 1 zeigt das Ergebnis der Analyse des Systems Embryotransfer in vereinfachter Darstellung [9].
Aus dieser Analyse konnten
n■ das Ziel für die Gestaltung des Gesamtprozesses
n■ die Grundlagen für das Projektmanagement des Forschungs- und Transfervorhabens
n■ die präzisierte Problemstellung für ein „Gerätesystem
Befruchtungsbiologie“
n■ die Aufgaben für die einzelnen Geräte des Systems
abgeleitet werden.
Für das Gerätesystem Embryotransfer waren — neben dem
Einsatz tierärztlicher Standardinstrumente — die Entwicklung,
Erprobung und Fertigung insbesondere folgender Geräte erforderlich:
n■ Gerätetechnik zur Untersuchung der Uterusmotorik
n■ ultraschallgeführte Follikelpunktionsgeräte
n■ Spülgeräte zur Oozytengewinnung
n■ rechnergestützte Bildauswertungssysteme zum Auffinden und Bewerten von Eizellen und Embryonen
Abb. 1
Operationen
Applikation von Hormonen
Anregen der Superovulation
Eizellgewinnung
Die Entwicklung des Embryotransfers in der Nutztierhaltung
Eizellkultivierung
erfolgte in mehreren Innovationsschüben, die jeweils von den
gesellschaftlichen und wissenschaftlich-technischen EntwickEizellbewertung
lungen beeinflusst wurden. Ein entscheidender Schritt war daIn-vitro-Befruchtung
bei die Verlagerung des Verfahrens vom Forschungslabor in die
landwirtschaftliche Praxis. Dafür wurde ein komplexes Gerätegentechnische Behandlung
system erforderlich, das unter diesen Bedingungen zuverlässig
und effektiv funktionierte. Schwerpunkt der nachfolgenden
Embryonenkultivierung
Ausführungen ist die Entwicklung ausgewählter Positionen
Embryonenkonservierung
dieser durchgängigen Systemlösung, an der der Autor maßgeblich beteiligt war.
Implantationsvorbereitung
Die Umsetzung solcher umfassenden naturwissenschaftlichen Forschungsergebnisse in technische Lösungen erforImplantation
derte die interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener
Fachgebiete, unter denen auch die Landtechnik einen wichtigen
Embryonalentwicklung
Stellenwert einnahm [4; 5]. Dabei musste die Entwicklung des
Gerätesystems für den Embryotransfer und dessen EingliedeSystem Embryotransfer
rung in die Reproduktionsprozesse von landwirtschaftlichen
Bild 1: System
„Embryotransfer“
Fig. 1:
System embryo transfer
Nutztieren den selben Regeln wie die Entwicklung von System6.2009 | landtechnik
Operatoren
ultraschallgeführte Follikelpunktionskanülen
oder
Spülgerät zur Oozytengewinnung
Brutschränke, Nährmedien
Mikroskope, Bewertungsverfahren
Mikroinjektor und / oder Pipetten
Mikromanipulator, Mikroinjektor,
PCR-Technik, Fusionstechnik
Perfusionsautomat, Thermostat
Cryocell, Substanzen zur Dehydrierung
programmgesteuerter Thermostat
Implantationskatheter
pränatale Diagnosetechnik,
Ultraschallsonographie
444
Welt der l andtechnik
n■ Geräte
zur Kultivierung von Eizellen und Embryonen (Inkubationssystem, Manipulationsbox, regelbarer Bewegungseinsatz für Oozyten in Nährmedien in Brutschränken)
n■ Transportgefäße für biologische Materialien
n■ Mikromanipulatoren für biologische Objekte
n■ Paillettenboxen für den Embryonentransfer
n■ programmgesteuerte Tiefgefriereinrichtungen für Embryonen und somatisches Zellmaterial
n■ programmgesteuerte Thermostaten
n■ Generatoren zur Fusion embryonaler Zellen
n■ Implantationskatheter
Die folgenden Geräte bilden die Hauptelemente des Gerätesystems Embryotransfer.
Gerätetechnik zum Erfassen der Uterusmotorik
Die mechanischen Aktivitäten von Eileiter und Uterus haben
bei den fortpflanzungsphysiologischen Prozessen der Ovulation, des Spermien- und Eizelltransports, der Befruchtung, der
Implantation, dem Schutz und der Ernährung der Feten sowie
bei der Geburt eine entscheidende Funktion. Der erreichte Entwicklungsstand der Sensorik und der Elektronik ermöglichte
den Einsatz moderner Gerätetechnik zum Erfassen bioelektrischer Aktivitäten in verschiedenen Uterusbereichen [12].
Der Sensor besteht dabei aus einer oder mehreren bipolaren Edelmetallelektroden zum Ableiten der bioelektrischen
Aktionspotenziale aus einer Muskelgruppe des Myometiums
sowie aus einer Edelstahlelektrode zur Ableitung des „Nullpotenzials“ von der Oberhaut. Zur Aufzeichnung der bioelektrischen Aktivität wurden die untersuchten Tiere mit einer speziell entwickelten Registrierapparatur ausgestattet.
Transportgefäß für biologische Materialien
Die Gewinnung biologischer Materialien — zum Beispiel Ovarien, Oozyten, Embryonen und Gewebeproben — erfolgt in vielen
Fällen in landwirtschaftlichen Anlagen, die sich in größerer
Entfernung zu Laboratorien befinden. Um Schädigungen des
Materials zu vermeiden, muss der Transport unter definierten
Bedingungen erfolgen, die in einem tragbaren Transportgefäß
realisiert werden.
Zur Bedienung und Kontrolle wurden im Elektronikteil ein
Temperaturwahlschalter, ein Netzschalter und eine optische
und akustische Warnanlage zur Meldung von Temperaturabweichungen und zur Anzeige des Ladezustandes der NickelCadmium-Akkumulatoren angeordnet. Der Temperaturbereich
von 35 bis 39 °C war in Stufen von 1 K regelbar.
der Pailletten im Labor bis zur Übertragung der Embryonen an
einem beliebigen Ort. Außerdem konnten die Pailletten auch
zur Tiefkühlkonservierung eingesetzt werden. Die Paillettenbox konnte 18 Pailletten aufnehmen. Der Temperaturbereich
war von 36 bis 42 °C in Stufen von 1 K wählbar.
Inkubator zur In-vitro-Kultivierung von Zellkulturen
Für die In-vitro-Reifung und -Befruchtung von Oozyten sowie
für die Kultivierung von Embryonen sind biochemische und
physikalische Umweltbedingungen erforderlich, die den Bedingungen in vivo ähnlich sind. Dazu ist es erforderlich, die
Kulturen ständig mit frischem, keimfreiem Nährmedium mit
definierten Parametern hinsichtlich der Konzentration und des
pH-Wertes sowie mit den erforderlichen Gaskonzentrationen
(O2, CO2, N2) zu versorgen. Parallel zur Versorgung muss die
Entsorgung von Stoffwechselprodukten gewährleistet sein.
Als Grundelement des Inkubators wurde ein Thermostatenblock mit mehreren Kammern zur Aufnahme der Zellkulturen
verwendet. Die Versorgung erfolgte über einen Nährmedienkreislauf, der über eine steuerbare Pumpe kontinuierlich oder
diskontinuierlich regelbar war. Im Nährmedienspeicher befand
sich ein pH-Sensor, der über eine Auswerteeinheit mit einem
elektrisch steuerbaren Ventil gekoppelt war, über das aus
einem Gasspeicher CO2, N2 und O2 in den Nährmedienspeicher
geleitet werden konnte. Die Temperatur war im Bereich von
35 bis 39 °C regelbar (Abbildung 2) [13; 14].
Tiefgefriereinrichtung Cryozell
Die programmgesteuerte Tiefgefriereinrichtung Cryozell ermöglichte im Rahmen kryobiologischer Verfahren die Tiefgefrierkonservierung von Oozyten, Embryonen, isolierten
Blastomeren, Spermien, somatischen Zellen, Blutzellen und
pflanzlichen Materialien nach frei wählbaren Einfrier- und
Erwärmungsprogrammen (Abbildung 3) [15]. Das Einfrieren
erfolgte im Bereich von 20 bis - 40 °C durchgängig oder stu-
Abb. 2
Paillettenbox für den Embryotransfer
Die temperaturgerechte Aufbewahrung von Embryonen bis zum
Zeitpunkt ihrer Übertragung ist eine entscheidende Voraussetzung für den Erfolg des Transfers und gehörte zum festen
Bestandteil der Labortechnologie. Die Pailletten dienten als Embryonenträger sowohl für den nichtchirurgischen als auch für
den chirurgischen Transfer. Somit ergab sich mithilfe dieser
Verwahrbox eine durchgängige Technologie von der Befüllung
Inkubationssystem zur In-vitro-Kultivierung. Fotos: Busch
Fig. 2: Incubation system for in-vitro-cultivation
6.2009 | landtechnik
445
Abb. 3
elektronisches Steuergerät
Biobehälter
Die Manipulationsbox realisierte einerseits die für die Experimente erforderlichen optimalen Bedingungen und gestattete
andererseits dem Experimentator eine ausreichende Bewegungsfreiheit, ohne ihn selbst den Bedingungen im Objektumfeld auszusetzen (Abbildung 4). Eine Schleuse ermöglichte
das Einbringen von Materialien und sterilen Instrumenten. Die
Sterilisation erfolgte als UV- und Nasssterilisation.
Probenkammer
Mikromanipulator
Thermoleitstab
Kühlmittelbehälter
Tiefgefriereinrichtung Cryocell
Fig. 3: Deep freeze device Cryocell
Bild 3: Tiefgefriereinrichtung „Cryocell“
fenweise mit Abkühlraten von 0,1 bis 1,5 K pro Minute. Haltephasen in vorgegebenen Temperaturbereichen waren möglich.
Die Genauigkeit der Temperaturregelung war < ± 1 K. Das Gerät
konnte Proben in Pailletten („Plastikhalme“), Ampullen oder
Röhrchen in einer Probenkammer aufnehmen. Der Endpunkt
der Abkühltemperatur konnte beliebig vorgewählt und nach
seinem Erreichen konstant gehalten werden.
Manipulationsbox
Einige der Manipulationen und Untersuchungen an biologischen Materialien — speziell an Oozyten und Embryonen
— erfolgten in offenen Gefäßen oder in Nährmediumtropfen.
Während dieser Experimente war das biologische Material
Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Temperaturänderungen,
optischen Einflüssen und Infektionen ausgesetzt, die nicht den
natürlichen Bedingungen in vivo entsprachen.
Abb. 4
Manipulationsbox
Fig. 4: Incubation box
6.2009 | landtechnik
Das Gerät wurde zur Mikromanipulation an Embryonen — wie
zum Beispiel zur Teilung von Embryonen zum Erzeugen identischer Mehrlinge oder zur Injektion von Substanzen in den
Zellkern — eingesetzt. Es ermöglicht das Fixieren der Instrumente bzw. die Ausführung bestimmter definierter Bewegungsabläufe unter dem Mikroskop.
Schlussfolgerungen
Mit der Entwicklung des komplexen biotechnischen Verfahrens
„Embryotransfer-Rind“ wurde in der DDR in den 1980er-Jahren
eine Basistechnologie geschaffen, mit deren Hilfe auch weitere biowissenschaftliche Erkenntnisse produktionswirksam
genutzt werden konnten. Mit der Entwicklung ab den 1990erJahren stand die gezielte Reproduktion von großen Milchviehbeständen nicht mehr so stark im Vordergrund. Statt dessen
ergab sich eine zunehmende Diversifikation der Einsatzgebiete
des Embryotransfers über die landwirtschaftlichen Nutztiere
(Rind, Schwein, Schaf, Ziege) und Pferd bis hin zu den Kleintieren (Hund, Kaninchen, usw.) und andererseits zu einer Konzentration des Einsatzes auf die gezielte Zucht von Hochleistungstieren und in Sonderfällen auf den Erhalt seltener Rassen.
Dafür stehen gegenwärtig stationäre und mobile Laboratorien
und Embryo-Transfer-Stationen zu Verfügung.
Literatur
[1]
Schmidt, K. und G. Bachnik: Transplantation von Kanincheneiern. Zuchthygiene, Fortpflanzungsstörungen und Besamung der Haustiere (1960),
S. 349-355
[2] Schmidt, K., W. Altenkirch und G. Bachnik: Eitransplantation beim Schaf
nach Progesteron-PMS-Synchronisation. Zuchthygiene, Fortpflanzungsstörungen und Besamung der Haustiere (1961), S. 339-350
[3] Forschungszentrum für Tierproduktion Dummerstorf-Rostock (Hrsg.):
50 Jahre Tierzucht- und Tierproduktionsforschung Dummerstorf 19391989. Ostsee-Druck, Rostock,1989, S. 51
[4] Dyhrenfurth, K. und K. H. Busch: Aufbau und Arbeitsweise der Abteilung
Forschungstechnologie. Tagungsbericht 161 der Akad. Landwirtsch. Wiss,
Berlin, 1978, S. 5–11
[5] Busch, K. H., K. Dyhrenfurth und R. Vilbrandt: Intensivierung der
Tierproduktionsforschung durch forschungstechnologische Arbeiten.
Tagungsbericht Nr. 287 der Akad. Landwirtsch. Wiss, Berlin, 1990,
S. 213-216
[6] Forschungszentrum für Tierproduktion Dummerstorf-Rostock (Hrsg.):
50 Jahre Tierzucht- und Tierproduktionsforschung Dummerstorf 19391989. Ostsee-Druck, Rostock, 1989, S. 118-135
[7] Frick, R.: Erzeugnisqualität und Design. Verlag Technik GmbH, Berlin,
1996, S. 67–79
[8] Busch, K. H.: Handbuch Erfinden lernen — lernend erfinden. Trafo Verlag,
Berlin, 2003
[9] Kurth, K.-J.: Forschungstechnologische Systemanalysen als Grundlage
für die Entwicklung von Geräteketten. Tagungsbericht Nr. 265 der Akad.
Landwirtsch. Wiss, Berlin, 1988, S. 21-27
[10] Soucek, R. und H. Regge (Hrsg.): Grundsätze für die Konstruktion von
Landmaschinen. Verlag Technik, Berlin, 1979, S. 31-35
446
Welt der l andtechnik
[11] Krombholz, K.: Landmaschinenbau der DDR. DLG-Verlags-GmbH, Frankfurt a. M., 2006, S. 96-97
[12] Hofmann, J. et al: Programmgesteuerte Tiefgefriereinrichtung für den
Einsatz in der Kryobiologie. Medizintechnik 27 (1987), H. 2, S. 60–62
[13] Brüssow, K.-P., K.-J. Kurth und G. Blödow: Elektrophysiologische
Untersuchungen zur Uterusmotorik im Östrus bei Jungschweinen nach
Ovulationssynchronisation. Arch. Exper. Veterinärmedizin, Leipzig 42
(1988), H 6, S. 933–943
[14] Waselowski, B. und F. Geissler: Generator zur Fusion embryonaler Zellen.
In: Tagungsbericht Nr. 265 der Akad. Landwirtsch. Wiss, Berlin, 1988,
S. 193–199
[15] Patentschrift DD 279 030 C12M: Vorrichtung zur Kultivierung von Zellkulturen in vitro. Erfinder: Kurth, K.-J., U. Koch, H. Torner, M. Götze und
P. Kauffold. 29.12.88/23.05.90
[16] Patentschrift DD 278 659 G01N: Regelkreis zur kontinuierlichen Veränderung des pH-Wertes in Nährmedien. Erfinder: Kurth, K.-J., U. Göllnitz, H.
Alm, und H. Torner. 27.12.88/09.05.90
[17] Busch, W.: Lehrbuch der künstlichen Besamung bei Haus- und Nutztieren. Schattauer Verlag GmbH, Stuttgart, 2007
Autor
Prof. Dr. sc. nat. Klaus Henning Busch war von 1975 bis 1992 Leiter
der Abteilung Forschungstechnologie (ab 1991 Bereich Biotechnologie)
im damaligen Forschungszentrum für Tierproduktion der Akademie der
Landwirtschaftswissenschaften der DDR. In dieser Zeit hielt er an der
Universität Rostock Vorlesungen auf dem Gebiet der Feingerätekonstruktion. Er ist jetzt Vorsitzender des itf Innovationstransfer- und Forschungsinstitut Schwerin e.V., E-Mail: [email protected]
Anmerkung
Der Erfahrungsschatz vorangegangener Generationen bietet nicht nur viel
Interessantes, sondern kann oftmals auch wertvolle Anregungen für die
Gestaltung der Zukunft geben. Unter diesem Motto hat sich der Fachausschuss „Geschichte der Landtechnik“ des VDI-MEG zum Ziel gesetzt,
agrarhistorische Sachverhalte „auszugraben“ und zu publizieren. Solche
Themen können auch in der Zeitschrift Landtechnik einen Platz finden.
Der hier abgedruckte Beitrag von Professor Busch soll dazu der Auftakt
sein. Der Fachausschuss hat sich zum Ziel gesetzt, für diese interessante
Aufgabe möglichst viele Autoren in der großen Gemeinschaft kompetenter Landtechniker in West und Ost zu aktivieren. Wir hoffen, dass aus
dem Leserkreis der Landtechnik geeignete Angebote zur Veröffentlichung
kommen.
gez. Dr. Klaus Krombholz,
Vorsitzender des Fachausschusses „Geschichte der Landtechnik“
des VDI-MEG, E-Mail: [email protected]
Wie die Flex zu ihrem Namen kam — ein Stück Industriegeschichte
die namen der erfinder hermann ackermann und hermann Schmitt Sind heute unBekannt
Made in Germany — diese Herkunftsbezeichnung war einmal ein Qualitätsbegriff, der in der gesamten Welt Maßstäbe
gesetzt hat. Es gab viele deutsche Hersteller, die erfolgreich waren, so dass ihre
Namen selbst zu Qualitätsbegriffen wurden, zum Beispiel Alfred Krupp und Steiff
(Knopf im Ohr). Namen, die zum Symbol
für Qualität und Zuverlässigkeit wurden,
aber auch wieder in Vergessenheit geraten sind. Andere Marken gibt es noch.
n
Unbekannte Erfinder
Unter dem Gütesiegel „Made in Germany“
wurden aber auch Qualitätsbegriffe geboren, deren Erfinder, wie die Unternehmer Hermann Ackermann und Hermann
Schmitt, bis heute unbekannt blieben.
Deren Schaffen hingegen avancierte zum
Flex MS 6: So sah die Namensgeberin
aller Flex-Werkzeuge aus. Werkfoto
weltweiten Begriff, den auch heute nach
wie vor jeder kennt, sicherlich auch schon
in der Hand hatte, garantiert aber schon
unzählige Male beim „flexen“ gehört hat:
die Flex.
Wie alles begann
Diese beiden blitzgescheiten jungen Männer schufen eine Handschleifmaschine
mit der Bezeichnung „MS 6“, deren Besonderheit eine „flex“ible Antriebswelle
war. Diese Welle war das mechanische
Verbindungsstück zwischen einem stationären Elektromotor und verschiedenen
Aufsatzwerkzeugen. Diese biegsame
Kraftübertragung war der Namensgeber
für die heutige Flex.
Anno 1922 gründeten die beiden Tüftler
unter ihren Namen in Bad Cannstatt ein
Unternehmen, um ihre Erfindung herstellen und vertreiben zu können. Anfang
der 30er Jahre wurde die Fertigung von
Schleifmaschinen mit direktem Antrieb
aufgenommen und ebenfalls unter dem
Markennamen „FLEX“ vertrieben. Den
Flex-Ingenieuren gelang es, die flexible
Welle durch ein Winkelgetriebe zu ersetzen, bei dem die Kraft über zwei Zahnräder übertragen wird. 1935 gab es bereits
einen niedertourigen Winkelschleifer. Die
Prospekt aus den Nachkriegsjahren:
1954 brachte das Unternehmen die
ersten hochtourigen Winkelschleifer
unter der Typenbezeichnung „DL 9“ heraus. Werkfoto
Kriegsjahre verzögerten die weitere Entwicklung. 1954 brachte das Unternehmen dann den ersten hochtourigen Winkelschleifer unter der Typenbezeichnung
„DL 9“ heraus. Heute hat die FLEX-Elektrowerkzeuge GmbH ihren Sitz in Steinheim
und beschäftigt etwa 240 Mitarbeiter.
6.2009 | landtechnik
442
WORLD OF AGRICULTURAL TECHNOLOGY
Busch, Klaus Henning
Development of an embryo transfer
system for cattle breeding
The complex bioengineering method „Embryo transfer in cattle farming“ laid the foundation in
the German Democratic Republic (GDR) in the 80s. This method was utilized beyond the use in
research labs. The system made possible the broad use of such effective method for the reproduction of big animal herds. End of the eighties the proof of concept was provided for this
method and this system in the agricultural environment.
Keywords
Embryo transfer, cattle farming, bioengineering, laboratory,
development of device, in-vitro-cultivation, in-vitro-fertilization
Abstract
Landtechnik 64 (2009), no. 6, pp. 442-446, 4 figures,
17 references
The large-scale livestock production units emerging in the
GDR in the 1960s demanded, among other factors, effective biotechnological organisation of the breeding process.
Systematic research in this direction within the responsible
institutes of the Academy of Agricultural Sciences in the GDR
began as early as the 1950s [1; 2; 3]. A first result was artificial
insemination in cattle production which was in general use by
the beginning of the1960s as part of the introduction of “industrial standard production” in agriculture. With this procedure it
was recognised that — among other positive effects — very good
exploitation of sire potential was possible [17].
A next step was to be embryo transfer with which planning security in fertilisation could be further improved and
also genetic potential of the dam lines exploited more to offer
substantial progress in breeding. On average a cow has three
to four calves in her lifetime but actually can produce around
50,000 egg cells.
First basic work on this subject was conducted as early as
the 1950s and 60s. Targeted work into creating a procedure for
wide practical application began in the appropriate research facilities in the 1970s. An important result was the development
of a procedure for non-surgical transfer instead of surgical embryonic recovery, used until then. This important simplification
was achieved around 1980.
Further focuses of the research were embryo cell culture
and deep freeze conservation which permitted the freezing of
embryos at –196 °C. Components were also the early diagnon
sis of embryo sex, which can be possible as soon as 7 days of
age, as well as microsurgical embryo splitting to give identical
twins.
From this position it was possible at the beginning of the
1980s to succeed with the gradual introduction of the technique
in practical farming. The first calves from deep-frozen embryos
were born in 1981 in Dummerstorf and 1982 in Jürgenstorf.
The research and transitional work was accompanied by investigations relating to its breeding and economic efficiency.
As early as 1973 there existed a “Temporary International
Research Collective Egg Transplantation” under the administration of the GDR Agricultural Sciences Research Centre for
Animal Production with 25 scientists from seven eastern European countries involved.
Embryo transfer procedure
Embryo transfer is a bioengineering procedure whereby embryos from donors are artificially placed in the uterus of host
females. Hereby, the embryos can be from other, often artificially inseminated, females or from an in-vitro fertilisation (artificially inseminated in test tubes).
Spermatozoon are collected from a high-performance sire
for the artificial insemination. Multiple ovulation — superovulation — in the dam, a female with desired characteristics, is activated through hormone treatment. The resultant egg cells are
either artificially inseminated in the female animal or are taken
out of the female and fertilised in a test tube. In this case they
develop in-vitro into embryos. The egg cells fertilised within
the female animal also develop into embryos and are flushed
out of the uterus around seven days post-fertilisation. Frozen
down to -198 °C the embryos can be conserved for transplantation into surrogate mothers wherever required.
Equipment for embryo transfer
The development of embryo transfer in farm animals took place
in several innovation impulses which in each case were influenced by social and scientific-technological developments. A
decisive step hereby was the transition of the procedure from
6.2009 | landtechnik
443
research laboratory into practical farming. For this, a complex
equipment system was required, one able to function reliably
and effectively under these conditions. Focal point of the subsequent presentation is the development of selected positions
in this integrated solution system in which the author played
a substantial role. The translation of such comprehensive natural scientific research results into technical solutions required
the interdisciplinary cooperation of various specialist sectors
which also included an important input from agricultural engineering [4; 5]. Hereby, the development of equipment for embryo transfer and its integration in the reproductive process of
farm animals must follow the same rules as the development
of system solutions or machinery systems for other processes
in crop and livestock production [10; 11]. Under these aspects
and according to the GDR standard TGL 22 290 “Agricultural
Technological Terminology” the equipment for embryo transfer
was understood as the total of all the various working materials adjusted to complement their various technical and technological parameters for carrying out the complete procedure.
Figure 1 presents in simplified form the result of the analysis
of the embryo transfer system [9].
From this analysis it is possible to calculate:
n the target for the design of the whole process
n the basis for project management of research and transfer plans
n the precise problems involved in ”an equipment system
for fertilisation biology“
n the tasks for the individual instruments within the
system
Necessary for the embryo transfer equipment system was –
alongside the application of standard veterinary instruments
- the development, testing and manufacture of the following
instruments in particular:
n equipment for analysing uterus motor functions
n ultrasonically controlled follicle puncture equipment
n flushing equipment for oocyte harvesting
n computer-supported photo evaluation systems for identifying and evaluating egg cells and embryos
n equipment for cultivation of egg cells and embryos (incubation systems, manipulation box, flexible movement
techniques for ovocytes in nutrition medium in incubators)
n transport containers for biological material
n micromanipulators for biological objects
n packets of plastic “straws” for embryo transfer
n programme-controlled deep freeze devices for embryos
and somatic cell material
n programme-controlled thermostats
n generators for fusion of embryonic cells
n implantation catheters
The following equipment comprised the main elements of
instruments used in embryo transfer.
Equipment for registering uterus motor function
The mechanical activities of fallopian tubes and uterus have
an important function in the breeding-physiological processes
of ovulation, the transport of sperm and egg cells, the fertilisation, the implantation the protection and the nutrition of the
foetuses as well as during birth. The achieved development of
sensory and electronic technology enabled application of modern equipment for recording bioelectric activities in various
areas of the uterus [12].
Hereby, the sensor comprised one or more bipolar precious
metal electrodes for conducting the bioelectrical action potential from the muscle group of the myometrium cells as well as
a stainless steel electrode for conducting the “zero potential”
from the epidermis. For recording the bioelectric activity the
investigated animals were equipped with especially developed
recording apparatus.
Transport containers for biological material
The collection of biological material – e.g. ovary, oocytes, embryos and tissue samples – often occurred on farms a long way
from laboratories. To avoid damaging the material transport
had to be carried out in a portable container under defined conditions.
For practicality and control a temperature selector switch, a
power switch and an visual and an acoustic warning system for
signalling temperature deviations and for indicating the charge-
Fig. 1
Operationen
Anregen der Superovulation
Eizellgewinnung
Applikation von Hormonen
ultraschallgeführte Follikelpunktionskanülen
oder
Spülgerät zur Oozytengewinnung
Brutschränke, Nährmedien
Eizellkultivierung
Mikroskope, Bewertungsverfahren
Eizellbewertung
In-vitro-Befruchtung
gentechnische Behandlung
Embryonenkultivierung
Embryonenkonservierung
Implantationsvorbereitung
Mikroinjektor und / oder Pipetten
Mikromanipulator, Mikroinjektor,
PCR-Technik, Fusionstechnik
Perfusionsautomat, Thermostat
Cryocell, Substanzen zur Dehydrierung
programmgesteuerter Thermostat
Implantationskatheter
Implantation
Embryonalentwicklung
System embryo transfer
Bild 1: System „Embryotransfer“
6.2009 | landtechnik
Operatoren
pränatale Diagnosetechnik,
Ultraschallsonographie
444
WORLD OF AGRICULTURAL TECHNOLOGY
level of the nickel-cadmium accumulators were all included in
the electronic part. The temperature range of 35 to 39°C could
be regulated in 1 K steps.
Fig. 3
elektronisches Steuergerät
Plastic straw box for embryo transfer
The storage of the embryos at the correct temperature up to
time of transfer is a crucial requirement for success and permanent part of laboratory technology. The straws served as embryo carriers for non-surgical as well as for surgical transfer.
This protective container thus represented integrated technology from the filling with straws in the laboratory through to the
transfer of the embryos wherever that took place. The straws
could also be used in the deep-freezing process. The straw box
could contain up to 18 straws. Temperature range was selectable from 36 to 42 °C in steps of 1 K.
Incubator for in-vitro cultivation of cell cultures
For in-vitro maturation and fertilisation of oocytes as well as
for the cultivation of embryos, biochemical and physical environmental conditions are required similar to in-vivo conditions. Hereto it is also required that the cultures are supplied
continually with fresh, sterile nutrition medium with defined
parameters regarding concentration and pH as well as with the
required concentrations of gases (O2, CO2, N2). Parallel to the
supply, removal of metabolic products has to be carried out.
Basic within the incubator was a thermostat block featuring
several chambers for cell cultures. A circuit system supplied
nutritive medium and supply could be varied over an adjustable pump either continually or intermittently. In the nutrient
medium container there was a pH sensor linked to an electrically-controlled valve via evaluation unit. Through the valve CO2,
N2 und O2 were channelled from the gas store into the nutrition
medium. The temperature was adjustable in the range 35 to
39 °C (figure 2) [13; 14].
Biobehälter
Probenkammer
Thermoleitstab
Kühlmittelbehälter
Deep freeze device Cryocell
Bild 3: Tiefgefriereinrichtung „Cryocell“
Cryocell deep freezer
The programme-controlled Cryocell deep freeze device enabled
through the cryobiological process the deep frozen conservation of oocytes, embryos, isolated blastomeres, spermatozoon,
somatic cells, blood cells and vegetable material via freely selectable freezing and defreezing programmes (figure 3) [15].
Freezing occurred from 20 to –40 °C in continual or gradual
mode with cooling rates of 0.1 to 1.5 K per minute. Halt phases
in predetermined temperature areas were possible. The precision of temperature regulation was < ± 1 K. The device was
capable of taking samples in straws („plastic straws“), ampules
or tubes in a sampling chamber. The final temperature could be
freely pre-selected and then kept constant after being reached.
Fig. 2
Fig. 4
Incubation system for in-vitro-cultivation
Incubation box
6.2009 | landtechnik
445
Manipulation box
Some of the manipulation and inspection of biological material — especially on oocytes and embryos — took place in open
containers or in nutritive medium drops. During these experiments the biological materials were protected from environmental influences which did not represent natural conditions
in-vivo such as temperature variations, optical influences and
infections. The manipulation box realised on the one hand the
required optimum conditions for the experiments while allowing, on the other hand, the experimenter sufficient freedom of
movement without the person having to be subjected to the
conditions in the direct surroundings of the object (figure 4). A
sluice enabled introduction of material and sterile instruments.
Sterilisation took place as UV or wet sterilisation.
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[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
Micromanipulator
This device was used for micromanipulation of embryos - e.g.
splitting of embryos for rearing identical offspring or for injection of substances in cell nuclei. It enabled attachment of
instruments or conducting of certain defined movement procedures under the microscope.
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Author
Conclusions
With the development of the complex bioengineering proce
dure ”Embryo transfer in cattle farming“ a basic technology
was created in the GDR in the 1980s with the help of which
further bioscientific knowledge could be exploited effectively in
production. From the 1990s the targeted reproduction of large
dairy herds was no longer of such immediate importance for
the development. Instead there was increasing diversification
into the application area of embryo transfer with farm animals
(cattle, pigs, sheep, goats) and horses through to smaller animals (dogs, rabbits, etc.) and also a concentration of the application on the targeted breeding of high-performance animals
and, in special cases, for retention of rare breeds. Nowadays to
help in this direction there are available stationary and mobile
laboratories and embryo transfer stations.
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6.2009 | landtechnik
Prof. Dr. sc. nat. Klaus Henning Busch was from 1975 to 1992
manager of the Research Technology Department (from 1991 Biotechnology Sector) in the former Research Centre for Animal Production in
the GDR Academy of Agricultural Sciences. At that time he lectured at
the University of Rostock on fine instrument construction. Now, he is
chairman of itf Innovation Transfer and Research Institute Schwerin e. V.,
E-Mail: [email protected]
Notes
The treasures of experience from previous generations offer not only
much of interest but also can often give valuable stimulation for creating
the future. Under this motto, the special VDI-MEG committee ”History of
Agricultural Engineering“ has made it a target to ”dig out“ and publicise
agri-historical facts. Such themes have also a place in the publication
Landtechnik. The presentation from Professor Busch published here is to
be the starting shot for this. The special committee has made it its aim
to activate as many authors as possible in the great society of competent
agricultural engineers from west and east for this interesting task. We
hope that suitable material for publication will be offered by Landtechnik
readers everywhere.
sgd. Dr. Klaus Krombholz,
Chairman of special VDI-MEG committee, ”History of Agricultural Engineering“, E-Mail: [email protected]
ISSN 0023-8082
Impressum
Briefanschrift
Kuratorium für Technik und Bauwesen
in der Landwirtschaft e.V. (KTBL)
Bartningstr. 49, 64289 Darmstadt
Telefon 0 6151 7001-0, Fax 0 6151 7001-123
E-Mail: [email protected], www.ktbl.de
Herausgeber
Kuratorium für Technik und Bauwesen
in der Landwirtschaft e.V. (KTBL), Darmstadt
VDMA Fachverband Landtechnik, Frankfurt/Main
Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG), Düsseldorf
Bauförderung Landwirtschaft e.V. (BFL), Hannover
Geschäftsführender Herausgeber
Dr. Heinrich de Baey-Ernsten (KTBL)
Bartningstraße 49, 64289 Darmstadt
Bankverbindung
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BLZ 508 900 00
Kto 6432603
Hauptgeschäftsführer
Dr. Heinrich de Baey-Ernsten
67. Jahrgang
Vertrieb und Anzeigenverwaltung
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Redaktionsleitung
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Bartningstraße 49, 64289 Darmstadt
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Wissenschaftlicher Beirat
Prof. Dr. H. Bernhardt, Prof. Dr.-Ing. S. Böttinger, Prof. Dr. habil. G. Breitschuh,
Prof. Dr. habil. W. Büscher, Dr. M. Demmel, Prof. Dr. R. Doluschitz, Dr.-Ing. D. Ehlert, PD Dr. E. Gallmann, Prof. Dr.-Ing. M. Geimer, Dr. H. Georg, Dr. M. Geyer,
Prof. Dr. J. Hahn, Prof. Dr. O. Hensel, PD Dr. E. F. Hessel, Prof. Dr. habil. B. Hörning, Prof. Dr.-Ing. B. Johanning, Prof. Dr. T. Jungbluth, Prof. Dr.-Ing. T. Lang,
Prof. Dr.-Ing. T. Meinel, Prof. Dr.-Ing. H.-J. Meyer, Prof. Dr. J. Müller, Dr. S. Neser,
Prof. Dr. L. Popp, Prof. Dr. T. Rath, Prof. Dr. Y. Reckleben, PD Dr. habil. M. Schick,
Prof. Dr.-Ing. P. Schulze Lammers, Prof. Dr. H.-P. Schwarz, Prof. Dr. habil. J. Spilke,
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