Endometriale Rezeptivität – molekulare und klinische

DIAGNOSTIK + THERAPIE
REPRODUKTIONSMEDIZIN
Endometriale Rezeptivität –
molekulare und klinische Aspekte
H. Fluhr, J. Spratte, M. Zygmunt
Die Implantation des Embryos im Endometrium ist ein komplexer, störanfälliger Prozess, der sowohl für die Etablierung der
Schwangerschaft als auch für mögliche Schwangerschaftskomplikationen maßgeblich ist. Störungen dieses Vorgangs können
nicht nur zu Implantationsversagen oder Fehlgeburten, sondern auch, wie epidemiologische Daten zeigen, zu Erkrankungen im späteren Schwangerschaftsverlauf führen wie Präeklampsie und Plazentainsuffizienz. Grundlage für einen erfolgreichen embryo-maternalen Dialog während der Implantation ist das rezeptive Endometrium auf der einen Seite und der
Trophoblast auf der anderen.
Das menschliche Endometrium besteht aus einer basalen Schicht (Stratum basale) und einer oberflächlichen
Schicht (Stratum functionale), die
wiederum in eine lumennahe „Zona
spongiosa“ und eine lumenferne „Zona compacta“ unterteilt werden kann.
Das Stratum functionale wird am Ende des Zyklus im Rahmen der Menstruation abgestoßen, während das
Stratum basale als Ausgangspunkt für
die Regeneration des Endometriums
im Folgezyklus dient. Das luminale
und glanduläre Epithel bildet die
Oberfläche des Endometriums, wobei
im Gegensatz zu den meisten Epithelzellen anderer Organe die uterinen Epithelien mesenchymalen Ursprungs sind. Endometriale Stromazellen und verschiedene Immunzellen bilden das darunterliegende
Stroma, wobei im Hinblick auf die endometriale Immunologie „natürliche
Killer-Zellen“ (NK-Zellen) eine besondere Rolle zu spielen scheinen.
Unter dem Einfluss des von den heranwachsenden Follikeln produzierten Östradiols in der ersten Zyklushälfte kommt es zur Proliferation des
Endometriums (Proliferationsphase),
welches bis zur Zyklusmitte eine Dicke von mindestens 5 mm erreicht.
Postovulatorisch erfolgt die sekretorische Transformation (Sekretions-
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phase) unter dem Einfluss von Progesteron aus dem Corpus luteum.
Hierbei beginnen sich die Drüsenschläuche zu schlängeln und vermehrt
in das uterine Lumen zu sezernieren.
Im endometrialen Stroma kommt es
zu einer Ödembildung, zur Ausbildung
von Spiralarterien und zu einer starken Zunahme von dezidualen NK-Zellen. Morphologisch und funktionell
beginnt der Differenzierungsprozess
der endometrialen Stromazellen, der
als Dezidualisierung bezeichnet wird.
Findet in dieser Phase keine Implantation statt, so degeneriert das Corpus luteum aufgrund der fehlenden
Stimulation durch humanes Choriongonadotropin (hCG), das vom Trophoblasten sezerniert wird. Der konsekutive Abfall des Progesteronspiegels führt zu prämenstruellem
Gewebeumbau und schließlich zur Abstoßung des Gewebes während der
Menstruation.
Wachstumsfaktoren
und Zytokine steuern
das Endometrium
Neben den beiden klassischen Steroidhormonen Östradiol und Progesteron spielen lokal produzierte und
agierende Wachstumsfaktoren und Zytokine eine entscheidende Rolle für
die Proliferation und Differenzierung
des Endometriums im Zyklusverlauf.
Eine besondere Rolle scheinen hierbei
die Mitglieder der endometrialen „insulin-like growth factor“(IGF)-Familie
zu spielen (9). Während IGF-I eine
Funktion in der Vermittlung östrogener Signale im Hinblick auf die Proliferation zugeschrieben wird, scheint
IGF-II Bedeutung für die Differenzierung im sekretorischen Endometrium
und der frühen Dezidua zu haben. Die
Wirkung der IGFs wird durch verschiedene Bindungsproteine reguliert, wobei „insulin-like growth factor binding
protein-1“ (IGFBP-1) im Endometrium
von entscheidender Bedeutung ist.
IGFBP-1 zeigt einen eindeutigen zyklusabhängigen Verlauf mit einem
Sekretionsmaximum im Endometrium
der Lutealphase und der frühen Dezidua (12). Neben seiner regulatorischen
Wirkung auf die lokale Bioverfügbarkeit von IGF-I und -II sind für dieses
Molekül direkte Effekte auf das Implantationsgeschehen beschrieben
worden.
Ebenfalls relevant für die endometriale Physiologie scheinen Mitglieder der sogenannten Interleukin(IL)6-Familie zu sein. Für die zugehörigen Zytokine IL-6, IL-11 und „leukemia inhibitory factor“ (LIF) sind
zahlreiche Effekte auf die endometriale Differenzierung und auch auf
den Implantationsvorgang bekannt.
Immunregulatorische Faktoren wie
IL-15 oder auch die beiden Chemokine IL-8 und „monocyte chemoattractant protein-1“ (MCP-1) finden
sich ebenfalls im Endometrium und
sind für die Steuerung des Immunmilieus am Implantationsort wichtig.
Bemerkenswert ist, dass nahezu alle
im Endometrium exprimierten Wachstumsfaktoren und Zytokine zyklusabhängige Expressionsmuster aufwei-
%
%
30
80
40
0
Abortrisiko
Schwangerschaftsrate
60
0
6
7
8
9
10
Tag der Implantation
11
12
Abb. 1: Nur innerhalb eines sehr engen Zeitfensters zwischen den Tagen 8 und 10 nach
Ovulation besitzt das Endometrium seine volle Rezeptivität. Das Risiko eines Aborts steigt
bei einer verspäteten Implantation stark an. Abbildung modifiziert nach Wilcox et al. 1999.
sen und sich somit den einzelnen Zyklusphasen individuelle Zytokinprofile zuordnen lassen (15).
Der Begriff „Dezidualisierung“ leitet
sich von dem lateinischen Verb „decidere, fallen“ ab und wurde im 19.
Jahrhundert von Thomas Huxley geprägt. Nach seiner Systematik können
Säuger in „Deciduata“ und „Adeciduata“ eingeteilt werden, abhängig
davon, ob bei der Geburt die uterine
Mukosa abgestoßen wird oder nicht.
Im Unterschied zu vielen anderen Spezies erfolgt die Dezidualisierung des
endometrialen Stromas beim Menschen
primär unabhängig von der Anwesenheit eines implantierenden Embryos.
sung des Dezidualisierungsprozesses.
Die Beobachtung einer verminderten
endometrialen Prolaktin-Produktion
bei Patientinnen mit ungeklärter Infertilität und wiederholten Fehlgeburten spricht zudem für eine Bedeutung dieses Faktors für die Implantation. Wie bereits oben ausgeführt, spielt IGFBP-1 sowohl bei der
Regulation lokal exprimierter Wachstumsfaktoren als auch während des
Implantationsvorgangs eine Rolle.
Möglicherweise ist IGFBP-1 an der
zeitlichen Determinierung endometrialer Rezeptivität beteiligt, da sein
Anstieg in der zweiten Hälfte der sekretorischen Phase mit dem Schluss
des sogenannten Implantationsfensters zusammenfällt und Effekte auf
die Migration und Invasion von Trophoblasten für IGFBP-1 beschrieben
wurden.
Dezidualisierung beschreibt einen
morphologischen und funktionellen
Differenzierungsprozess der endometrialen Stromazellen, der in der Mitte der sekretorischen Phase beginnt
(2). Wichtige Sekretionsprodukte und
zugleich Markermoleküle des dezidualisierten Stromas sind Prolaktin
und IGFBP-1. Obwohl die Rolle des
dezidualen Prolaktins nicht endgültig geklärt ist, sprechen zahlreiche
Beobachtungen für eine lokale immunmodulatorische Bedeutung sowie
eine autoregulatorische Beeinflus-
Der Begriff Implantationsfenster beschreibt die Beobachtung einer zeitlich sehr streng regulierten endometrialen Rezeptivität in der zweiten Zyklushälfte. In einer wegweisenden Arbeit konnten Wilcox und Kollegen
1999 zeigen, dass bei den meisten
erfolgreichen Schwangerschaften der
Embryo zwischen acht und zehn Tage nach der Ovulation implantiert und
ein späterer Implantationszeitpunkt
mit einem höheren Abortrisiko behaftet ist (16) (s. Abb. 1). Eine genauere Charakterisierung der mole-
Die Dezidualisierung
ist Voraussetzung
für die Implantation
kular- und zellbiologischen Vorgänge in diesem definierten Zeitfenster
ist daher von großem wissenschaftlichem Interesse und kann die Grundlage für diagnostische und therapeutische Entwicklungen hinsichtlich Implantationsstörungen und ihrer Folgen sein.
Mit dem embryo-maternalen
Dialog beginnt die
Schwangerschaft
Die Implantation des Embryos beim
Menschen ist offensichtlich ein sehr
kritisches Ereignis, da über ein Drittel der Frühschwangerschaften als
Abort endet, wobei allerdings die
Mehrzahl klinisch inapparent verläuft.
Eine erfolgreiche Implantation setzt
einen koordinierten und synchronen
Ablauf von embryonaler Entwicklung
einerseits und endometrialer Differenzierung andererseits voraus.
Beim Menschen tritt die Morula etwa
72–96 Stunden nach der Ovulation
und Fertilisation in das Cavum uteri
ein und entwickelt sich dort weiter
zur Blastozyste. Nach einem etwa
zweitägigen Aufenthalt, der als Präimplantationsphase bezeichnet wird,
beginnt nach dem „Schlüpfen“ der
Blastozyste („hatching“) der eigentliche Implantationsprozess durch die
Kontaktaufnahme von Trophoblastzellen mit dem maternalen Endometrium (s. Abb. 2 auf S. 228). Bereits
während der Präimplantationsphase
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Implantationsfenster
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Blastozyste
Trophoblast
Embryoblast
IGF-I, -II
IL-6, LIF
IL-8, MCP-1
PRL
IGFBP-1
Epithelzellen
hCG
IGF-I
IL-1a, b
MMPs
FasL, TRAIL
Stromazellen
NK-Zellen
Endometrium
Abb. 2: Die implantierende Blastozyste und das sekretorische Endometrium kommunizieren
bereits in der Präimplantationsphase mittels verschiedener Mediatoren (vereinfachte Darstellung). Diese Kommunikation spielt für das Gelingen der nachfolgenden Implantation eine
entscheidende Rolle.
wird die Blastozyste von Uterussekret
umspült, was eine erste Kontaktaufnahme mit dem Endometrium durch
lösliche Substanzen ermöglicht (embryo-maternaler Dialog) (10).
Eines der ersten von der Blastozyste
produzierten Hormone ist das hCG,
das nach erfolgreicher Implantation
in den mütterlichen Kreislauf gelangt
und für den Erhalt des Corpus luteum
am Ende des ovariellen Zyklus verantwortlich ist. Neben dieser klassischen gonadalen Funktion von hCG
konnten in den vergangenen Jahren
zusätzliche direkte Effekte am
menschlichen Endometrium im Zellkulturmodell in vitro und mittels intrauteriner Mikrodialyse in vivo gezeigt werden (4, 5, 13). In der Zusammenschau der Ergebnisse scheint
hCG ein frühes Signalmolekül des implantierenden Embryos zu sein, das
Einfluss auf das Zytokinmilieu am Implantationsort, die endometriale Differenzierung und auch den Implantationsprozess selbst zu haben
scheint.
IL-1a und -1b wurden als zwei weitere embryonal sezernierte Faktoren
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lich streng regulierten Invasivität der
frühen Plazenta ist allerdings auch
aus tumorbiologischer Sicht von großem Interesse, was an dieser Stelle
nur angedeutet sei.
Embryo-maternaler Dialog
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beschrieben, die Einfluss auf die endometriale Physiologie während der
Implantation haben.
Der nachfolgende Implantationsvorgang lässt sich klassisch in drei Stadien unterteilen: Apposition, Adhäsion und Invasion. Zelluläre apikale Protrusionen des endometrialen Epithels,
die Pinopodien, ermöglichen eine enge Kontaktaufnahme von Blastozyste
und Endometrium während der Apposition. Im Anschluss folgt eine feste
Anbindung, die Adhäsion, wobei Adhäsionsmoleküle aus der Familie der
Integrine eine essenzielle Rolle zu
spielen scheinen. Nachfolgend beginnen die Trophoblasten in das mütterliche Endometrium zu invadieren
und penetrieren hierbei zunächst die
Epithelschicht, um dann mit dem dezidual umgewandelten Stroma in Kontakt zu treten. Wesentlich beteiligt
an diesem Invasionsprozess sind Enzyme zum Abbau von extrazellulärer
Matrix (Matrixmetalloproteinasen,
MMPs) sowie die in einem fein abgestimmten Gleichgewicht hierzu stehenden Inhibitoren „tissue inhibitors
of metalloproteinases“ (TIMPs) (10).
Das Verständnis der zeitlich und räum-
Interessanterweise exprimiert der invadierende Trophoblast auch Moleküle, die klassischerweise in ihren
Zielgeweben programmierten Zelltod
(Apoptose) induzieren. Allerdings
konnte gezeigt werden, dass zwei dieser Liganden, Fas-Ligand und „tumor
necrosis factor related apoptosis inducing ligand“ (TRAIL) im Endometrium trotz vorhandener Rezeptoren
primär keine Apoptose auslösen. Vielmehr scheinen diese typischen „Todessignale“ an der fetomaternalen
Kontaktzone regulatorische Effekte
auf das Zytokinmilieu zu haben. In
der Gegenwart von inflammatorischen
Mediatoren wie Tumornekrose-Faktora (TNF-a) und Interferon-γ (IFN-γ)
kommt es jedoch zu einer Sensibilisierung des endometrialen Stromas
gegenüber Fas-Ligand und zur Induktion von Apoptose. Diese zellbiologischen Beobachtungen könnten
einen möglichen Pathomechanismus
für Implantationsstörungen mit nachfolgendem Implantationsversagen
oder Abort beschreiben (6).
Lässt sich
endometriale Rezeptivität
klinisch beurteilen?
Trotz zahlreicher Fortschritte im Bereich der assistierten Reproduktion
in den vergangenen Jahren sind die
Schwangerschaftsraten immer noch
unbefriedigend. Während hinsichtlich
ovarieller Stimulationsprotokolle,
Techniken der In-vitro-Fertilisation
und auch der Kryokonservierung große Fortschritte zu verzeichnen sind,
ist die Implantation des Embryos als
„black box“ der Reproduktionsmedizin zu betrachten. Trotz eines wachsenden Verständnisses der Physiologie
und Pathophysiologie endometrialer
Rezeptivität durch Untersuchungen
in vitro sind die Möglichkeiten einer
klinischen Beurteilung des Endometriums und seiner Rezeptivität rar.
In der klinischen Praxis hat sich die
vaginalsonographische Beurteilung
des Endometriums anhand der Parameter Endometriumdicke und Echomuster durchgesetzt. Hierbei korreliert die sonographisch gemessene Dicke des Endometriums jedoch nur sehr
bedingt mit der Schwangerschaftsrate im Rahmen einer Kinderwunschbehandlung. Allerdings scheint eine
Endometriumdicke unter sechs Millimeter in der Zyklusmitte auf eine
niedrigere Wahrscheinlichkeit einer
erfolgreichen Implantation hinzuweisen. Prognostisch von größerem
Wert scheint das endometriale Echomuster zu sein. Hierbei wird ein dreischichtiges Echomuster zur Zyklusmitte und ein hyperechogenes und
homogenes Schallmuster in der Sekretionsphase als ideal betrachtet.
Ehemals als Goldstandard der endometrialen Diagnostik wurde die Endometriumbiopsie betrachtet. In Anbetracht der fehlenden funktionellen
Beurteilbarkeit des Gewebes sowie
der sehr heterogenen Endometriumentwicklung in verschiedenen Menstruationszyklen ist diese Untersuchungstechnik in den Hintergrund getreten.
Untersuchungen von Faktoren im peripheren Blut oder die direkte Analyse von Uterussekret sind berichtet
worden, die Effektivität und klinische
Umsetzbarkeit dieser Verfahren steht
allerdings noch nicht fest.
Kann endometriale Rezeptivität beeinflusst werden?
Neben indirekten Ursachen für eine
eingeschränkte endometriale Rezeptivität wie beispielsweise Myome, Hydrosalpingen, Endometriose oder das
polyzystische Ovarialsyndrom (PCOS),
die eine entsprechende Therapie erfordern, ist eine unmittelbare Beeinflussung des Endometriums immer
noch schwierig.
Der im Rahmen der ovariellen Stimulation beobachteten endometrialen
Dysfunktion kann teilweise durch ei-
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ne Änderung des Stimulationsprotokolls begegnet werden. So kann beispielsweise die unter Clomifen-Stimulation beobachtete verzögerte endometriale Differenzierung durch den
Einsatz einer niedrig dosierten Gonadotropin-Stimulation umgangen
werden. Therapieansätze für die unter hochdosierter Gonadotropin-Stimulation beobachteten endometrialen Reifungsstörungen gibt es allerdings bislang nicht.
Für die Behandlung einer Lutealphaseninsuffizienz stellen Gestagene die
Therapie der Wahl dar. Auch für die
Lutealphasensubstitution nach Embryo-Transfer in einem In-vitro-Fertilisations(IVF)-Behandlungszyklus
eignen sich Gestagene, wobei auch
für hCG implantationsfördernde Effekte beschrieben sind. Die Überlegenheit einer Substanz ist in diesem
Kontext allerdings nicht abschließend
geklärt (1, 3).
Interessant könnte in Zukunft der Einsatz von Heparin beziehungsweise
niedermolekularen Heparinen zur Beeinflussung der endometrialen Rezeptivität und der Implantation werden (14). Die Beobachtung der Wirksamkeit von Heparin bei Patientinnen mit habituellen Aborten ohne
vorliegende Gerinnungsstörung spricht
für weitere Wirkmechanismen von Heparinen, die über ihre klassische Wirkung als Antikoagulans hinausgehen.
In-vitro-Untersuchungen in einem
Zellkulturmodell zeigen eine Beeinflussung der endometrialen Dezidualisierung und belegen die anti-inflammatorische Wirkung von unfraktioniertem Heparin und niedermolekularen Heparinen (7). Prospektive,
randomisierte Studien fehlen allerdings bislang, um eine Wirksamkeit
von Heparinen als Therapieoption bei
Implantationsstörungen zu belegen.
Auch für den Einsatz von Azetylsalizylsäure (ASS), Kortikosteroiden oder
einer Immuntherapie ließ sich bisher
keine Verbesserung der Implantationsraten im Rahmen der Kinderwunsch-Therapie nachweisen (8, 11).
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Systematische klinische Studien sind
hier ebenfalls dringend nötig, um eine mögliche Effektivität dieser Substanzen zu prüfen.
Fazit
Endometriale Rezeptivität ist unabdingbar für eine erfolgreiche Implantation, die wiederum die Grundlage einer Schwangerschaft darstellt
und deren Pathologien ihren Ursprung
teilweise in Implantationsstörungen
haben. Die Differenzierung des Endometriums in der zweiten Zyklushälfte ist ein komplexes zell- und molekularbiologisches Geschehen, dessen Feinabstimmung für seine Rezeptivität verantwortlich ist. Ein
besseres Verständnis der endometrialen Physiologie und Pathophysiologie wird dazu beitragen, neue Ansatzpunkte für die Diagnostik und
Therapie von Implantationsstörungen
aufzuzeigen. Dies ist nicht nur aus
reproduktionsmedizinischer Sicht von
Interesse, sondern stellt auch die Basis für den Geburtshelfer für eine neue
Sichtweise auf Pathologien in der
Schwangerschaft (Aborte, Präeklampsie, Wachstumsretardierung) dar.
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Für die Autoren
Dr. med. Herbert Fluhr
Klinik und Poliklinik für Frauenheilkunde und Geburtshilfe
Enst-Moritz-Arndt-Universität
Greifswald
Sauerbruchstr.
17475 Greifswald
[email protected]