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Die In-vitro-Fertilisation mit der ICSI-Methode ist die fortgeschrittenste Form dieser Techniken, die bei ungenügender Samenqualität durchgeführt wird. Um ihren Reifegrad zu beurteilen und die Injektion zu erleichtern, werden die Eizellen nach der Entnahme enzymatisch freipräpariert. Die Injektion des Spermas erfolgt mithilfe eines Mikromanipulators unter dem Mikroskop. Der Labormitarbeiter sucht ein optimales Spermium aus, immobilisiert dieses und setzt es mittels feiner Injektionspipette direkt in die Eizelle. Das Verfahren ist kompliziert und erfordert hochqualifiziertes Laborpersonal.
Ist die Spermaqualität und -quantität extrem eingeschränkt, beziehungsweise, wenn gar keine Spermien im Ejakulat gefunden werden, können Spermien direkt aus dem Hodengewebe entnommen werden und in die Eizelle eingebracht werden.