我们使用偏振光显微镜为非侵入性评估人类卵子成熟度提供临床方案大纲。
细胞内质精子注射(ICSI)的最佳时机是生育计划的一个严重问题,因为过早的精子进入会削弱卵子的发育能力。第一极体 (PB) 与中心主轴的存在表明卵母细胞成熟完成和卵子受精的准备。在临床实践中,通常假设所有显示PB的卵母细胞都是成熟的元相(MII)卵母细胞。然而,PB挤出之前形成双极MII主轴。这种异步性使得仅仅存在PB就成为卵母细胞成熟度的不可靠标记。使用偏振光显微镜 (PLM) 进行非侵入性主轴成像,可快速轻松地检查 PB 显示卵母细胞在 ICSI 之前是否实际重新组装了微缩主轴。在这里,我们提出了在临床实验室中执行人类卵子成熟度评估的标准方案。我们还展示了如何优化ICSI在卵母细胞发育阶段的时间,以防止晚熟卵母细胞过早精子注射。使用这种方法,即使是不成熟的卵母细胞在体外挤出PB也可以临床利用。确认MII主轴在精子注射之前存在,在预后不良体外受精(IVF)周期中,用于受精的卵母细胞数量少,对ICSI时间的个体调整尤为重要。
要成为可受精的单倍体卵子,双倍体卵母细胞必须将其一半的遗传信息挤出到一个相邻的细胞中,称为第一极体(PB),并在双极元相II(MII)主轴的赤道中对齐染色体。虽然传统光显微镜可以清楚地观察到PB,但遗传材料和细胞骨骼结构的检测通常需要与卵母细胞进一步用于生育治疗的侵入性准备程序不相容。因此,在临床实践中,PB的存在被认为是卵母细胞成熟的标志。然而,在人类卵母细胞成熟期间微管和染色体动力学的实时成像显示,PB在双极MII主轴组装和染色体对齐前几个小时变得可见。然而,在透射光中,MII的卵子与刚刚进入染色体分离过程的卵母细胞没有区别。因此,一组卵母细胞,仅基于PB的存在被归类为MII卵母细胞,可能含有尚未完成发育的晚熟卵母细胞,因此尚未做好受精准备。
卵母细胞成熟延迟可能影响在刺激周期2中意外收集的MII卵母细胞数量少和未成熟卵母细胞比例高的不良反应者群体。在体内,只有一个单一的,最好的质量的鸡蛋达到成熟,并成为排卵。在体外受精(IVF)周期中,受控卵巢过度刺激用于招募多个卵母细胞进行成熟。戈纳多品激增触发恢复的美能程序和卵子祖体应该在36小时内达到MII逮捕阶段3。然而,从前卵泡中检索到的卵母细胞通常构成PB显示MII卵母细胞和未成熟的卵母细胞的分类,无论是在元相I(MI)或发芽囊泡阶段(GV)(图1)。只有 MII 卵母细胞接受细胞内质精子注射 (ICSI),而未成熟的卵母细胞通常被丢弃。然而,在体外培养时,通常观察到MI卵母细胞在体外挤出PB。尽管它们普遍自卑,但晚熟的卵母细胞在通宵培养期间自发地完成了第一次美尿分裂,但已被成功用作最后一个资源卵母细胞,并且活产报告有4,5个 ,6,7,8.因此,精子的过早注射可能是导致晚熟卵母细胞发育不良的主要原因,这些卵母细胞在以前的研究9、10、11中报告。
极化光显微镜 (PLM) 与图像处理软件相结合,可对活卵母细胞中的中心主轴进行非侵入性可视化。双反射是由偏振光束与构建双极轴的微管的高度有序装配相互作用产生的。由于偏振光是正常强度,该技术可以安全地用于临床设置,以查看分裂装置11,12,13,14的动态。卵母细胞内MII主轴双旋度的存在已被确定为卵子发育能力9、15、16、17、18的标志。 19,20,21,22,23。因此,在临床实践11、14、20中,建议将非侵入性美西主轴成像用于卵子质量控制。
由于卵母细胞细胞间微管动力学的时间线已经解决1,观察到的PLM模式可以更好地与MI到MII转换的时间过程相关。在 PB 排放后不久,新生的 MII 主轴就变得无法被 PLM 检测到。然而,如果卵母细胞保存在培养物中,当双极MII主轴重新组装9,10,11时,双核信号可能会出现。因此,在卵母细胞在体外挤出PB时,主轴的缺失可能只是暂时对应于晚熟卵母细胞从MI阶段到MII阶段的生理过渡。如果 MII 主轴信号检测不到,精子注射可以推迟到稍后的时间点,为 MII 主轴形成提供额外时间。ICSI时间的PLM辅助优化,最大限度地利用晚熟卵母细胞的机会,对预后差的患者9产生影响。
下面,我们提供如何在人类卵母细胞中执行非侵入性主轴成像的分步协议。我们还演示了如何使用 PLM 来避免晚熟卵母细胞过早受精的风险。
人类卵母细胞中的中位体中心主轴高度动态,结构细腻。在次优条件下,微管纤维迅速去聚合,中心主轴分解30、31、32、33。因此,确保卵母细胞培养和微操作条件(即温度和pH值)处于最佳范围内至关重要。为了将主轴中断的风险降至最低,卵母细胞应保存在温度控制的环境中,在卵母细胞介质中保持 37 ± 0.5 °C。严格要求使用配备加热级的显微镜和显微注射装置。所有在孵化器外的卵母细胞操作都必须在HEPES/MOPS缓冲介质中进行,以避免pH波动。为避免在环境条件下过度卵母细胞交手的潜在不利影响,PLM检查总时间不得超过10分钟。由于在光束路径中放置标准塑料会损害图像分析,因此必须在玻璃底部盘上对卵母细胞进行分析,并拆除塑料盖。由于塑料和玻璃底盘具有不同的热特性,因此应直接在检查盘的处理介质的液滴中检查温度。
除了实验室条件外,程序差异和操作人员的微操作技能也会对 PLM 检查的准确性产生影响。只有高度组装的双极主轴才能非侵入性可视化。观测信号与主轴的结构组织程度成正比。新生、极性、松动或乱摆的主轴只显示模糊的双重轴或根本没有(图3和图4)。此外,尽管实际存在发达的双极性主轴(图4),但极化光与微管阵列的不完全对齐只产生半透明且定义不明确的双重点。除非正确定向,否则主轴信号可能很容易丢失,卵母细胞成熟度误诊 (补充视频)。为了获得最佳的主轴成像,卵母细胞必须正确转动每个轴。由于双目在目镜中不可见,操作员在进行卵母细胞旋转时必须观看计算机屏幕。在转移到临床应用之前,在多余的体外成熟卵母细胞中进行微操作和主轴成像训练的经验是可取的。
除了主轴外,卵母细胞、卵母体周围的积木细胞、色拉图的内层和一些细胞质结构(例如,屈光体、屈体)表现出双核化(图5A-D)。除非在成像前彻底从卵母细胞中取出,否则紧密附着的卵泡细胞会产生背景噪声,并危及美质主轴检测。小心不要将大折射体误认为主轴。许多细胞质内含物驻留在细胞质中,显示高亮度,这与暗背景形成鲜明对比。另一方面,混音主轴只显示中等信号,边界模糊,通常附着在第一个 PB 下方或相邻的古乐。有时,PLM 检查会显示主轴偏离其标准位置的总偏差(图 5E,F)。如果分部装置和 PB 之间存在重大错位,PLM 有助于定位卵母细胞,以避免在显微注射过程中主轴受伤的风险。卵母细胞内主轴的相对位置似乎不会影响产生的胚胎17、34的发育潜力。然而,当主轴竞争地从乌莱马分离时,就会发生受精异常。有趣的是,一些质量差的卵母细胞在PB挤出后立即进行染色质脱粒,而不是开始微管成核(图4F)。使用传统的光显微镜和PB作为卵母细胞成熟度的唯一标志,这种亚能力卵母细胞将被视为可受精。因此,在常规形态学评估的基础上,主轴成像增加了有关卵子成熟度的重要信息,并可以作为其质量的间接标志。
主轴MII卵母细胞的发病率可能受研究人群特征(如遗传背景、医疗状况、产妇年龄)的影响。此外,发育迟缓的卵母细胞在队列中的比例将影响实际数量的检测到主轴阴性卵母细胞9,27。通过人工主轴可视化,可以清楚地识别在 MII 阶段逮捕的可受精卵母细胞。此外,稍后的第二次检查可能会显示主轴阴性卵母细胞是否异常,或只是最近才通过MI/MII过渡9,10,11。当允许在ICSI之前发育主轴时,即使是通常被丢弃的未成熟的卵母细胞,也能产生可行的胚胎9。在可用于受精的很少卵母细胞的周期中,精点化的卵母细胞挤出PB的ICSI可以作为一种拯救策略和替代循环取消。
然而,延长预孵育时间不应推广到所有卵母细胞。体内成熟卵母细胞从正常反应者通常表现出MII主轴9,20,21,27。在这里,成功的主轴成像的机会随着时间的推移减少,由于后检查体外老化35。如果可能的话,ICSI应在检索当天进行,并且不应超过9小时(hCG后45小时),这个周期与导致胚胎质量下降36,37相关。显示不同双极主轴的卵母细胞应毫不拖延地受到 ICSI 的影响。总之,ICSI时间的个性化优化在预后差的患者中是值得排除任何过早精子注射风险的。然而,这是不必要的,太耗时和费力在所有IVF周期执行。
PLM分析揭示了卵母细胞是否达到MII阶段。然而,中心主轴的非侵入性可视化没有提供有关染色体组织的信息。可能有严重的染色体错位和/或母体年龄相关的色谱分裂在卵母细胞具有双极主轴(图5)。各种其他因素对生殖成功有显著影响(例如,精子因子、线粒体、胚胎基因组活化、不规则裂解、表观遗传学、子宫内膜、母体免疫)。因此,检测MII主轴本身,并不能保证IVF程序的阳性临床结果。
The authors have nothing to disclose.
我们要感谢国际再获利的胚胎学实验室。我们还感谢 MEYS CR (LM2015062 捷克生物成像)支持 CEITEC 的核心设施 CELLIM,感谢他们支持获取此处介绍的免疫荧光成像数据。
Continuous Single Culture Complete with Human Serum Albumin | Irvine Scientific | 90164 | bicarbonate based single-step culture medium for embryo culture |
Denuding micropipette 150 µm | Microtech IVF | 005-150C | |
Denuding micropipette 180 µm | Microtech IVF | 005-180B | suitable for oocyte transfer between dishes |
Denuding micropipette 200 µm | Microtech IVF | 005-250-A | suitable for oocyte transfer between dishes |
FluoroDish | World Precision Instruments | FD 5040-100 | glass-bottom dish |
(alternative: WillCo-dish GWST-5040 WillCo Wells) | |||
Holding micropipette | Microtech | 001-120-30 | sterile glass microneedles |
Hyaluronidase solution | Irvine Scientific | 90101 | for oocyte denudation |
ICSI micropipette | Microtech | 002-5-30 | sterile glass microneedles |
Micro Droplet Culture Dish | Vitrolife | 16003 | 12-well plate for embryo culture |
Multipurpose Handling Medium (MHM) with Gentamicin | Irvine Scientific | 90163 | handling medium, MOPS/HEPES buffered |
Nikon Eclipse TE 2000-U | Nikon | inverted microscope with heated stage | |
Nunc IVF Petri Dish, 60 mm | Thermo Fisher Scientific | 150270 | plastic ICSI dish |
Nunc non-treated 4-well IVF dish | Thermo Fisher Scientific | 179830 | 4-well plate for embryo culture |
OCTAX polarAide | MTG | integrated PLM system | |
Oil for embryo culture | Irvine Scientific | 9305 | oil for overlay |
Polyvinylpyrrolidone | Irvine Scientific | 90123 | for sperm immobilization prior to ICSI |