Summary

Kromosomscreening af humane præimplantationsembryoner ved hjælp af brugt dyrkningsmedium: prøveindsamling og kromosomal ploidianalyse

Published: September 07, 2021
doi:

Summary

Denne undersøgelse rapporterer en protokol til kromosomscreening af menneskelige embryoner, der bruger brugt dyrkningsmedium, som undgår embryobiopsi og muliggør kromosomploidiidentifikation ved hjælp af NGS. Denne artikel præsenterer den detaljerede procedure, herunder forberedelse af dyrkningsmedium, helgenomamplifikation (WGA), næste generations sekventering (NGS) biblioteksforberedelse og dataanalyse.

Abstract

Ved klinisk in vitro-befrugtning (IVF) kræver den fremherskende metode til PGT-A biopsi af nogle få celler fra trophectoderm (TE). Dette er den slægt, der danner moderkagen. Denne metode kræver imidlertid specialiserede færdigheder, er invasiv og lider af falske positive og negative, fordi kromosomtallene i TE og den indre cellemasse (ICM), som udvikler sig til fosteret, ikke altid er de samme. NICS, en teknologi, der kræver sekventering af DNA, der frigives i kulturmediet fra både TE og ICM, kan tilbyde en vej ud til disse problemer, men har tidligere vist sig at have begrænset effektivitet. Denne undersøgelse rapporterer den fulde protokol for NICS, som inkluderer dyrkningsmediumprøveudtagningsmetoder, helgenomamplifikation (WGA) og biblioteksforberedelse og NGS-dataanalyse ved hjælp af analysesoftware. I betragtning af de forskellige kryopræserveringstider i forskellige embryolaboratorier har embryologer to metoder til indsamling af embryokulturmedium, der kan vælges i henhold til IVF-laboratoriets faktiske forhold.

Introduction

Assisteret reproduktionsteknologi (ART’er) er i stigende grad blevet brugt til behandling af infertilitet. Imidlertid har succesraten for ART, såsom IVF, været begrænset, og graviditetstabsraten er signifikant højere end for den normale befolkning1. Hovedårsagen til disse problemer er kromosomale abnormiteter, som almindeligvis findes i præimplantation menneskelige embryoner2. PGT-A er en effektiv metode til screening af embryoner for kromosombalance før implantation 3,4. Nogle undersøgelser har vist, at PGT-A kan reducere abortraten og forbedre graviditetsraten 5,6,7,8. PGT-A kræver imidlertid kompleks teknisk ekspertise, der kræver specifik træning og erfaring. Den invasive embryobiopsiprocedure kan også potentielt forårsage skade på embryonerne9. Undersøgelser har vist, at blastomerbiopsi kan hindre efterfølgende udvikling, og antallet af biopserede TE’er kan påvirke implantationshastighederne10. Selvom det langsigtede biosikkerhedsproblem ved embryobiopsi endnu ikke er blevet evalueret grundigt hos mennesker, har dyreforsøg vist dets negative indflydelse på embryoudvikling11,12,13.

Tidligere rapporter viste, at spormængder af DNA-materialer blev udskilt i dyrkningsmediet under embryoudvikling, og der er gjort en indsats for at udføre omfattende kromosomscreening (CCS) ved hjælp af brugt embryokulturmedium 14,15,16,17,18. Detektionsraterne og testenes nøjagtighed har imidlertid ikke opfyldt kravene til omfattende klinisk brug. Denne undersøgelse rapporterede en forbedring i NICS-analysen for at øge detektionsraterne samt nøjagtigheden af NICS-testen19. I de senere år er blastocoelevæske (BF) blevet undersøgt som en analytisk prøve af minimalt invasiv PGT-A. Imidlertid varierer andelen af vellykket genom-dækkende amplifikation og detekterbart DNA i blastocystvæskeprøver fra 34,8% til 82%20,21,22. Mængden af BF rapporteret i forskellige undersøgelser varierer fra 0,3 nL til 1 μL. I betragtning af den lave mængde DNA i BF er det muligt at øge mængden af cellefrit DNA ved at blande blastocystvæske og dyrkningsmedium for at forbedre succesraten og konsistensen af detektionen. Kuznyetsov et al.23 og Li et al.24 behandlede zona pellucida med en laser og frigav blastocystvæske i dyrkningsmediet for at forbedre den samlede mængde embryonalt DNA, og amplifikationshastigheden for de kombinerede medium / BF-prøver efter WGA var henholdsvis 100% og 97,5%. Jiao et al.25 opnåede også en 100% forstærkningssuccesrate ved at bruge den samme metode.

Denne undersøgelse rapporterer en detaljeret protokol, der inkluderer forberedelse af brugte medier, NGS-forberedelse og dataanalyse. Ved omhyggeligt at fjerne cumulusceller fra oocytter udførte denne undersøgelse intracytoplasmatisk enkelt sædinjektion (ICSI) og blastocystkultur. Dag 4-dages 5/dag 6 brugt medium blev indsamlet til WGA og NGS bibliotek forberedelse. Ved hjælp af NICS-teknologi strømlinede denne undersøgelse forberedelsestrinnene til WGA- og NGS-biblioteket på ca. 3 timer og opnåede CCS-resultater noninvasivt på ca. 9 timer.

Protocol

Etisk tilladelse blev erhvervet fra den etiske komité for Peking University Third Hospital. 1. Forberedelse BEMÆRK: De nødvendige materialer og udstyr er angivet i Materialetabel. ReagenserForvarm og ligevægt (afbalanceret) 20-30 μL gametmedium/befrugtningsmedium og spaltnings-/blastocyst-stadium kulturmedium (dækket med mineralolie) og hyaluronidase (i et tæt lukket rør) ved 37 °C, 5% CO2 og 5 %O2 i …

Representative Results

Denne undersøgelse anvendte den foreslåede metode på en patient. IRB-godkendelse og informeret samtykke blev opnået før anvendelsen af NICS-analysen. Den foreliggende undersøgelse opnåede 6 blastocyster fra patienter og udførte NICS på alle 6 embryoner på dag 4 til dag 5 medium. Kromosomabnormiteter forårsaget af forældrenes afbalancerede translokation blev påvist i fem af kromosomerne med NICS-assayet; derfor kunne de ikke bruges til overførsel (figur 4A-E). N…

Discussion

Ændringer og fejlfinding

Hvis NICS-resultaterne er forurenet med forældrenes genetiske materialer, skal du sørge for, at alle cumulus-corona radiata-celler fjernes, og sørg for, at ICSI udføres til befrugtning. Forkert medium opbevaring eller skabelonforberedelsesprocesser undgås, hvilket kan nedbryde DNA. Arbejdsområdet blev renset grundigt med DNase- og RNase-dekontamineringsreagenser. For at undgå kontaminering fra andre embryoner blev et embryo altid dyrket i en en…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Shiping Bo og Shujie Ma for deres hjælp med NGS-dataanalyse. Finansiering: Dette arbejde blev støttet af National Key Research and Development Program (bevilling nr. 2018YFC1003100).

Materials

1.5 mL EP tube, 0.2 mL PCR tube Axygen MCT-150-C, PCR-02-C DNase/RNase free, Low Binding PCR tubes and 1.5 mL micro-centrifuge tubes are recommended.
10 µL, 200 µL, 1000 µL DNase /RNase Free Tips Axygen T-300-R-S, T-200-Y-R-S, T-1000-B-R-S This can be replaced by other brand/For sample transfer
100 % ethanol Sinopharm Chemical 10009218 This can be replaced by other brand/For DNA library purification
Barcode Primer1-48 Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library amplificaton
BD Falcon Organ Culture Dish, Sterile BD Bioscience 363037 This can be replaced by other brand/For embryo culture
BD Falcon Tissue culture Dishes (Easy Grip) , Sterile BD Bioscience 353001 This can be replaced by other brand/For embryo culture
BD Falcon Tissue culture Dishes, Sterile BD Bioscience 353002 This can be replaced by other brand/For embryo culture
Cell Lysis Buffer Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For culture medium pre-treatment
Cell Lysis Enzyme Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For culture medium pre-treatment
ChromGo software Yikon Genomics Data analysis
CMPure Magbeads Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library purification
Cryotop open systerm  KITAZATO BioPharma 81110 This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
Distill water Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit To dissolve DNA
ES (Vitrification kit)  KITAZATO BioPharma Reagent inVitrification kit This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
HOLDNIG ORIGIO MPH-MED-35 This can be replaced by other
brand/For ICSI
Hyaluronidase solution, 80 U/mL SAGE ART4007-A This can be replaced by other brand/Digest oocyte-corona-cumulus complex
ICSI ORIGIO MPH-35-35 This can be replaced by other brand/For ICSI
Illumina MiSeq® System Illumina SY-410-1001 For library sequencing
Incubator Labotect Inkubator C16 This can be replaced by other brand/For embryo culture
Library buffer Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library amplificaton
Library Enzyme Mix Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library amplificaton
Magnetic Stand DynaMagTM-2 12321D For library purification
Microscope OLYMPUS 1X71 This can be replaced by other brand/For embryo observation
Mini-centrifuge ESSENSCIEN ELF6 For separation
MT Enzyme Mix Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For culture medium pre-treatment
NICSInst library preparation kit Yikon Genomics KT1000800324 Whole genome amplification and library construction
NICSInst Sample Prep Station Yikon Genomics  ME1001003 Amplificate DNA
Nunc IVF 4-Well Dish Thermo Scientific 144444 This can be replaced by other brand/For embryo washing and blastocyst culture
Pasteur Pipette Oirgio  MXL3-IND-135 This can be replaced by other brand/For embryo tansfer
Pasteur pipettes ORIGIO PP-9-1000 This can be replaced by other brand/For IVF laboratory
Pre-Lib Buffer Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit Pre-library preparation
Pre-Lib Enzyme Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit Pre-library preparation
Qubit® 3.0 Fluorometer Thermo Scientific Q33216 For library quantification
Quinn's Advantage Blastocyst Medium SAGE ART-1029 For embryo blastocyst stage culture
Quinn's Advantage Cleavage Medium SAGE ART-1026 This can be replaced by other brand/For embryo cleavage stage culture
Quinn's Advantage Fertilization Medium SAGE ART-1020 This can be replaced by other brand/For oocyte and sperm fertilization
Quinn's Advantage m-HTF Medium with HEPES SAGE ART-1023 This can be replaced by other brand/For embryo clutrure
Quinn's Advantage SPS Serum protein Substitute Kit SAGE ART-3010 This can be replaced by other brand/To denude the oocyte
Quinn's Advantage Tissue culture mineral oil SAGE ART-4008P This can be replaced by other brand/To cover the culture medium
STRIPPER TIPS ORIGIO MXL3-IND-135 This can be replaced by other brand/For denudating granulosa cells
Vitrification Cryotop Open systerm KIZTAZATO 81111 This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
Vitrification kit  KITAZATO BioPharma VT101 This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
Vortexer Qilinbeier DNYS8 Sample mix
VS (Vitrification kit)  KITAZATO BioPharma Reagent inVitrification kit This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
ZILOS-tk Laser System Hamilton Thorne CLASS 1 laser This can be replaced by other brand/For artificial blastocoele collapse

Referências

  1. Barlow, P. Early pregnancy loss and obstetrical risk after in-vitro fertilization and embryo replacement. Human Reproduction. 3 (5), 671-675 (1988).
  2. Munne, S. Chromosome abnormalities and their relationship to morphology and development of human embryos. Reproductive BioMedicine Online. 12 (2), 234-253 (2006).
  3. Harton, G. L. Diminished effect of maternal age on implantation after preimplantation genetic diagnosis with array comparative genomic hybridization. Fertility and Sterility. 100 (6), 1695-1703 (2013).
  4. Hodes-Wertz, B. Idiopathic recurrent miscarriage is caused mostly by aneuploid embryos. Fertility and Sterility. 98 (3), 675-680 (2012).
  5. Keltz, M. D. Preimplantation genetic screening (PGS) with Comparative genomic hybridization (CGH) following day 3 single cell blastomere biopsy markedly improves IVF outcomes while lowering multiple pregnancies and miscarriages. Journal of Assisted Reproduction and Genetics. 30 (10), 1333-1339 (2013).
  6. Scott, R. T. Blastocyst biopsy with comprehensive chromosome screening and fresh embryo transfer significantly increases in vitro fertilization implantation and delivery rates: a randomized controlled trial. Fertility and Sterility. 100 (3), 697-703 (2013).
  7. Forman, E. J. In vitro fertilization with single euploid blastocyst transfer: a randomized controlled trial. Fertility and Sterility. 100 (1), 100-107 (2013).
  8. Yang, Z. Selection of single blastocysts for fresh transfer via standard morphology assessment alone and with array CGH for good prognosis IVF patients: results from a randomized pilot study. Molecular Cytogenetics. 5 (1), 24 (2012).
  9. Cimadomo, D. The Impact of Biopsy on Human Embryo Developmental Potential during Preimplantation Genetic Diagnosis. BioMed Research International. 2016, 7193075 (2016).
  10. Scott, R. T., Upham, K. M., Forman, E. J., Zhao, T., Treff, N. R. Cleavage-stage biopsy significantly impairs human embryonic implantation potential while blastocyst biopsy does not: a randomized and paired clinical trial. Fertility and Sterility. 100 (3), 624-630 (2013).
  11. Wu, Y. Blastomere biopsy influences epigenetic reprogramming during early embryo development, which impacts neural development and function in resulting mice. Cellular and Molecular Life Sciences. 71 (9), 1761-1774 (2014).
  12. Zhao, H. C. Aberrant epigenetic modification in murine brain tissues of offspring from preimplantation genetic diagnosis blastomere biopsies. Biology of Reproduction. 89 (5), 117 (2013).
  13. Zeng, Y. Preimplantation genetic diagnosis (PGD) influences adrenal development and response to cold stress in resulting mice. Cell and Tissue Research. 354 (3), 729-741 (2013).
  14. Palini, S. Genomic DNA in human blastocoele fluid. Reproductive BioMedicine Online. 26 (6), 603-610 (2013).
  15. Gianaroli, L. Blastocentesis: a source of DNA for preimplantation genetic testing. Results from a pilot study. Fertility and Sterility. 102 (6), 1692-1699 (2014).
  16. Stigliani, S., Anserini, P., Venturini, P. L., Scaruffi, P. Mitochondrial DNA content in embryo culture medium is significantly associated with human embryo fragmentation. Human Reproduction. 28 (10), 2652-2660 (2013).
  17. Stigliani, S. Mitochondrial DNA in Day 3 embryo culture medium is a novel, non-invasive biomarker of blastocyst potential and implantation outcome. Molecular Human Reproduction. 20 (12), 1238-1246 (2014).
  18. Wu, H. Medium-Based Noninvasive Preimplantation Genetic Diagnosis for Human α-Thalassemias-SEA. Medicina. 94 (12), e669 (2015).
  19. Xu, J. Noninvasive chromosome screening of human embryos by genome sequencing of embryo culture medium for in vitro fertilization. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (42), 11907-11912 (2016).
  20. Capalbo, A. Diagnostic efficacy of blastocoel fluid and spent media as sources of DNA for preimplantation genetic testing in standard clinical conditions. Fertility and Sterility. 110 (5), 870-879 (2018).
  21. Tobler, K. J. Blastocoel fluid from differentiated blastocysts harbors embryonic genomic material capable of a whole-genome deoxyribonucleic acid amplification and comprehensive chromosome microarray analysis. Fertility and Sterility. 104 (2), 418-425 (2015).
  22. Magli, M. C. Preimplantation genetic testing: polar bodies, blastomeres, trophectoderm cells, or blastocoelic fluid?. Fertility and Sterility. 105 (3), 676-683 (2016).
  23. Kuznyetsov, V. Evaluation of a novel non-invasive preimplantation genetic screening approach. PLoS One. 13 (5), e0197262 (2018).
  24. Li, P. Preimplantation Genetic Screening with Spent Culture Medium/Blastocoel Fluid for in Vitro Fertilization. Scientific Reports. 8 (1), 9275 (2018).
  25. Jiao, J. Minimally invasive preimplantation genetic testing using blastocyst culture medium. Human Reproduction. 34 (7), 1369-1379 (2019).
  26. Palermo, G. D. Births after intracytoplasmic injection of sperm obtained by testicular extraction from men with nonmosaic Klinefelter’s syndrome. New England Journal of Medicine. 338 (9), 588-590 (1998).
  27. Alpha Scientists in Reproductive, M., & Embryology, E. S. I. G. o. The Istanbul consensus workshop on embryo assessment: proceedings of an expert meeting. Human Reproduction. 26 (6), 1270-1283 (2011).
  28. . Qubit dsDNA HS Assay Kit Available from: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/Q32851?ICID=search-product (2015)
  29. . Miseq system use guide Available from: https://support.illumina.com/downloads/miseq_system (2016)
  30. Lane, M. Ability to detect aneuploidy from cell free DNA collected from media is dependent on the stage of development of the embryo. Fertility and Sterility. 108 (3), (2017).
  31. Rubio, C. Multicenter prospective study of concordance between embryonic cell-free DNA and trophectoderm biopsies from 1301 human blastocysts. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 223 (5), 751-751 (2020).
  32. Rubio, C. Embryonic cell-free DNA versus trophectoderm biopsy for aneuploidy testing: concordance rate and clinical implications. Fertility and Sterility. 112 (3), 510-519 (2019).
  33. Lledo, B. Consistent results of non-invasive PGT-A of human embryos using two different techniques for chromosomal analysis. Reproductive BioMedicine Online. 42 (3), 555-563 (2021).
  34. Kuznyetsov, V. Minimally Invasive Cell-Free Human Embryo Aneuploidy Testing (miPGT-A) Utilizing Combined Spent Embryo Culture Medium and Blastocoel Fluid -Towards Development of a Clinical Assay. Scientific Reports. 10 (1), 7244 (2020).

Play Video

Citar este artigo
Huang, J., Yao, Y., Jia, J., Zhu, X., Ma, J., Wang, J., Liu, P., Lu, S. Chromosome Screening of Human Preimplantation Embryos by Using Spent Culture Medium: Sample Collection and Chromosomal Ploidy Analysis. J. Vis. Exp. (175), e62619, doi:10.3791/62619 (2021).

View Video