Przełom w selekcji komórek jajowych w procedurze in vitro
Polscy naukowcy po raz pierwszy na świecie zastosowali holotomografię do trójwymiarowego zobrazowania i oceny żywych komórek jajowych. Metoda pozwala określić potencjał rozwojowy oocytów przed zapłodnieniem in vitro. To przełom, który może zwiększyć skuteczność leczenia niepłodności – nie tyle poprzez wzrost liczby zapłodnień, ale przez zwiększenie szans na donoszenie ciąży i narodziny zdrowego dziecka.Za innowacyjnym rozwiązaniem stoi zespół naukowców z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, który współpracował z Instytutem Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk. Opracowana technologia umożliwia szybkie uzyskanie trójwymiarowej wizualizacji profilu lipidowego żywych komórek jajowych, co pozwala miarodajnie ocenić ich metabolizm, wskazać oocyty o największym potencjale rozwojowym i zwiększyć współczynnik sukcesu w procedurach in vitro.
Metoda oparta na holotomografii stanowi na tym polu jakościowy przeskok. Zamiast subiektywnej oceny morfologii embriolog otrzymuje obiektywne dane opisujące rzeczywisty fizjologiczny i biochemiczny stan komórki. Dzięki temu może wskazać oocyty, które dają największe szanse na powodzenie zapłodnienia in vitro oraz rozwój zdrowej ciąży.
– Dwie komórki jajowe, które pod mikroskopem wydają się identyczne, mogą mieć zupełnie różny potencjał rozwojowy. Wpływ na to ma między innymi objętość zgromadzonych w komórkach lipidów, ich rozmieszczenie i struktura. Opracowana przez nas metoda pozwala zajrzeć do wnętrza żywych oocytów i ocenić ich stan, co umożliwia właściwą selekcję. Embriolog może nareszcie wybrać do zapłodnienia komórki o optymalnych parametrach metabolicznych, zwiększając szansę na implantację zarodka, prawidłowy przebieg ciąży i narodzenie zdrowego dziecka – mówi prof. dr hab. inż. Grażyna Ptak z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, pomysłodawczyni metody.
Najważniejszą korzyścią z nowego rozwiązania jest większa szansa na uzyskanie ciąży zakończonej narodzinami zdrowego dziecka. Potencjalnie, metoda może też obniżyć ryzyko pojawienia się chorób kardiometabolicznych w późniejszym wieku – problem, który notuje się u niektórych dzieci urodzonych w wyniku procedur rozrodu wspomaganego, potwierdzony w badaniach na modelach zwierzęcych. Technologia może więc przyczynić się do zwiększenia odsetka udanych procedur in vitro w skali długoterminowej.
W opracowanej technologii badacze analizują profil lipidowy oocytu, czyli rozmieszczenie i objętość struktur lipidowych w całej komórce. Analiza stanu lipidów pozwala wykryć niekorzystne procesy utleniania, zanim pojawią się uszkodzenia białek czy materiału genetycznego znajdującego się w komórce. To właśnie lipidy jako pierwsze reagują na stres oksydacyjny, powodujący zmiany w strukturze błon, które obniżają potencjał rozwojowy komórki jajowej.
– Holotomografia pozwala zobaczyć żywą komórkę w trzech wymiarach bez stosowania jakichkolwiek znaczników. Analizujemy rozmieszczenie lipidów w całej objętości oocytu, uzyskując informacje, których nie dostarcza klasyczna mikroskopia świetlna – wyjaśnia dr hab. inż. Joanna Depciuch-Czarny z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, współtwórczyni nowej technologii.
Badanie polega na wykonaniu komputerowej rekonstrukcji trójwymiarowego obrazu, która umożliwia ilościową analizę parametrów komórki i dokonanie wyboru oocytów – stopniując je od najlepszych do najbardziej zaburzonych. Cała operacja zajmuje około 10 minut.
Jak podkreślają naukowcy i lekarze, wszystkie dotychczasowe systemy badania oocytów oparte tylko na ocenie wizualnej (również te wykorzystujące sztuczną inteligencję), nie są w stanie efektywnie określić zdolności rozwojowej komórek jajowych. W zasadzie wszyscy zgadzają się, że poza ewidentnymi zmianami wyglądu komórki to, czy przeprowadzana jest selekcja na podstawie morfologii oocytu, czy też nie, nie zmienia proporcji uzyskanych ciąż w procedurze in vitro.
Holotomografia wykorzystywana była dotychczas przede wszystkim do analizy komórek przylegających do podłoża. Zespół badawczy opracował rozwiązanie umożliwiające trójwymiarową analizę komórek jajowych, które pozostają zawieszone w środowisku hodowlanym. Obrazowanie odbywa się na poziomie nanometrów, a więc jest bardzo dokładne. To właśnie ten element stanowi jeden z kluczowych aspektów zgłoszenia patentowego.
– Opracowanie naszej metody wymagało rozwiązania wielu problemów technicznych na etapie preparacji. Jednym z nich było znalezienie skutecznego sposobu obrazowania pojedynczej zawieszonej w pożywce hodowlanej komórki pod mikroskopem holotomograficznym. Innym wyzwaniem było unieruchomienie owej pojedynczej nie przylegającej do podłoża komórki. Na tym polu jesteśmy pionierkami – mówi Hafsa Gulzar, współtwórczyni opracowanej technologii.
Wyzwaniem, z którym też uporały się badaczki, było zoptymalizowanie wszystkich czynności przygotowawczych i analitycznych tak, by uzyskać zdolność do przeprowadzenia badania puli pobranych oocytów i ich analizy 3D w ciągu dziesięciu minut. To czas, który pozwala wdrożyć tę metodę do zastosowania klinicznego.
– Technologia odpowiada na potrzeby stosowania skutecznych metod oceny komórek jajowych. Obecnie analizujemy możliwe scenariusze komercjalizacji i wspieramy zespół w poszukiwaniu partnerów zainteresowanych dalszym rozwojem rozwiązania, tak by docelowo umożliwić jego wykorzystanie w laboratoriach embriologicznych – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii CITTRU Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Zespół naukowy prowadzi prace badawcze i walidacyjne w trzech równoległych kierunkach. Jednym z nich są kompleksowe badania na modelach zwierzęcych, które dostarczają informacji na temat długoterminowego wpływu zmian profilu lipidowego oocytów na zdrowie dorosłego potomstwa. Drugi kierunek bazuje na scharakteryzowaniu przyczyn zmian profilu lipidowego komórek jajowych, udostępnionych do badań przez współpracujące kliniki leczenia niepłodności. Poza tym trwają prace nad stworzeniem komponentu sztucznej inteligencji wykorzystującego uczenie maszynowe w celu ustandaryzowania i przyspieszenia procesów analitycznych informacji uzyskiwanych z holotomografii. Docelowo komponent ten ma stać się integralną częścią oprogramowania współpracującego z mikroskopami holotomograficznymi, który umożliwi embriologom szybką, obiektywną ocenę jakości komórek jajowych.
– Obecnie, mimo dynamicznego rozwoju technologii wspomaganego rozrodu, skuteczność procedur IVF (zapłodnienie pozaustrojowe – z ang. In Vitro Fertilization) nadal utrzymuje się na poziomie zaledwie około 35%. Jednym z głównych czynników limitujących współczynnik powodzenia jest brak obiektywnej i wiarygodnej metody oceny jakości oocytów wybieranych do zapłodnienia. Ufam, że nasza technologia doprowadzi do postępu w tej dziedzinie i rozwiąże problem, z którym kliniki borykają się od lat – dodaje prof. Grażyna Ptak.
Projekt został zrealizowany przez zespół kierowany przez prof. dr hab. Grażynę Ptak z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego (MCB UJ), mgr Hafsę Gulzar, prowadzącą badania doktorskie w MCB UJ pod kierunkiem Prof. Ptak oraz dr hab. inż. Joanną Depciuch-Czarny z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.
Na zdjęciu, od lewej: mgr Hafsa Gulzar i prof. dr hab. Grażyna Ptak (Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ) oraz dr hab. inż. Joanna Depciuch-Czarny (Instytut Fizyki Jądrowej PAN).
Nowa jakość w analizie komórek jajowych
Mimo ogromnego postępu medycyny reprodukcyjnej, w procedurach zapłodnienia in vitro jak dotąd nie opracowano efektywnej oceny oocytów. Wybór komórki jajowej do zapłodnienia do dziś opiera się przede wszystkim na ocenie jej wyglądu pod mikroskopem. Kłopot w tym, że większość komórek jajowych wygląda niemal identycznie, pomimo że między nimi występują diametralne różnice metaboliczne i strukturalne, a co za tym idzie, rożni się ich zdolność do rozwoju po zapłodnieniu.Metoda oparta na holotomografii stanowi na tym polu jakościowy przeskok. Zamiast subiektywnej oceny morfologii embriolog otrzymuje obiektywne dane opisujące rzeczywisty fizjologiczny i biochemiczny stan komórki. Dzięki temu może wskazać oocyty, które dają największe szanse na powodzenie zapłodnienia in vitro oraz rozwój zdrowej ciąży.
– Dwie komórki jajowe, które pod mikroskopem wydają się identyczne, mogą mieć zupełnie różny potencjał rozwojowy. Wpływ na to ma między innymi objętość zgromadzonych w komórkach lipidów, ich rozmieszczenie i struktura. Opracowana przez nas metoda pozwala zajrzeć do wnętrza żywych oocytów i ocenić ich stan, co umożliwia właściwą selekcję. Embriolog może nareszcie wybrać do zapłodnienia komórki o optymalnych parametrach metabolicznych, zwiększając szansę na implantację zarodka, prawidłowy przebieg ciąży i narodzenie zdrowego dziecka – mówi prof. dr hab. inż. Grażyna Ptak z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, pomysłodawczyni metody.
Najważniejszą korzyścią z nowego rozwiązania jest większa szansa na uzyskanie ciąży zakończonej narodzinami zdrowego dziecka. Potencjalnie, metoda może też obniżyć ryzyko pojawienia się chorób kardiometabolicznych w późniejszym wieku – problem, który notuje się u niektórych dzieci urodzonych w wyniku procedur rozrodu wspomaganego, potwierdzony w badaniach na modelach zwierzęcych. Technologia może więc przyczynić się do zwiększenia odsetka udanych procedur in vitro w skali długoterminowej.
To lipidy decydują o kondycji komórki jajowej
Nowa metoda wykorzystuje holotomografię – zaawansowaną technikę obrazowania 3D opartą na pomiarze współczynnika załamania światła w strukturach znajdujących się w badanej materii. Technika ta pozwala zobrazować wnętrze pojedynczej żywej komórki bez stosowania barwników i bez ingerencji w materiał biologiczny. Jest więc całkowicie bezinwazyjna.W opracowanej technologii badacze analizują profil lipidowy oocytu, czyli rozmieszczenie i objętość struktur lipidowych w całej komórce. Analiza stanu lipidów pozwala wykryć niekorzystne procesy utleniania, zanim pojawią się uszkodzenia białek czy materiału genetycznego znajdującego się w komórce. To właśnie lipidy jako pierwsze reagują na stres oksydacyjny, powodujący zmiany w strukturze błon, które obniżają potencjał rozwojowy komórki jajowej.
– Holotomografia pozwala zobaczyć żywą komórkę w trzech wymiarach bez stosowania jakichkolwiek znaczników. Analizujemy rozmieszczenie lipidów w całej objętości oocytu, uzyskując informacje, których nie dostarcza klasyczna mikroskopia świetlna – wyjaśnia dr hab. inż. Joanna Depciuch-Czarny z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, współtwórczyni nowej technologii.
Badanie polega na wykonaniu komputerowej rekonstrukcji trójwymiarowego obrazu, która umożliwia ilościową analizę parametrów komórki i dokonanie wyboru oocytów – stopniując je od najlepszych do najbardziej zaburzonych. Cała operacja zajmuje około 10 minut.
Kliniki czekają na takie rozwiązanie
Zainteresowanie nową technologią wśród klinik leczenia niepłodności jest bardzo duże. Ośrodki wykonujące procedury in vitro poszukują rozwiązań, które pozwolą zwiększyć skuteczność terapii i ograniczyć liczbę nieudanych prób. Docelowo technologia może stać się elementem codziennej pracy embriologów, wspierając ich decyzje obiektywną analizą danych i zastępując niedoskonałą ocenę wizualną.Jak podkreślają naukowcy i lekarze, wszystkie dotychczasowe systemy badania oocytów oparte tylko na ocenie wizualnej (również te wykorzystujące sztuczną inteligencję), nie są w stanie efektywnie określić zdolności rozwojowej komórek jajowych. W zasadzie wszyscy zgadzają się, że poza ewidentnymi zmianami wyglądu komórki to, czy przeprowadzana jest selekcja na podstawie morfologii oocytu, czy też nie, nie zmienia proporcji uzyskanych ciąż w procedurze in vitro.
Przełom także w samej holotomografii
Osiągnięcie badaczek nie polega wyłącznie na zastosowaniu holotomografii do badań komórek jajowych. Równie istotnym osiągnięciem było opracowanie autorskiej metody przygotowania oocytów do badania (preparacji) oraz sposobu ich pełnego obrazowania przestrzennego.Holotomografia wykorzystywana była dotychczas przede wszystkim do analizy komórek przylegających do podłoża. Zespół badawczy opracował rozwiązanie umożliwiające trójwymiarową analizę komórek jajowych, które pozostają zawieszone w środowisku hodowlanym. Obrazowanie odbywa się na poziomie nanometrów, a więc jest bardzo dokładne. To właśnie ten element stanowi jeden z kluczowych aspektów zgłoszenia patentowego.
– Opracowanie naszej metody wymagało rozwiązania wielu problemów technicznych na etapie preparacji. Jednym z nich było znalezienie skutecznego sposobu obrazowania pojedynczej zawieszonej w pożywce hodowlanej komórki pod mikroskopem holotomograficznym. Innym wyzwaniem było unieruchomienie owej pojedynczej nie przylegającej do podłoża komórki. Na tym polu jesteśmy pionierkami – mówi Hafsa Gulzar, współtwórczyni opracowanej technologii.
Wyzwaniem, z którym też uporały się badaczki, było zoptymalizowanie wszystkich czynności przygotowawczych i analitycznych tak, by uzyskać zdolność do przeprowadzenia badania puli pobranych oocytów i ich analizy 3D w ciągu dziesięciu minut. To czas, który pozwala wdrożyć tę metodę do zastosowania klinicznego.
Patent i kolejny etap rozwoju
Badaczki nie mają wątpliwości, że opracowana technologia wyznacza nowy kierunek rozwoju diagnostyki w medycynie reprodukcyjnej. Metoda została objęta zgłoszeniem patentowym w Polsce i posiada bardzo duży potencjał wdrożeniowy. Naukowcy zakładają, że rozwiązanie będzie zintegrowane z mikroskopami holotomograficznymi w celu ich wykorzystania przez kliniki leczenia niepłodności.– Technologia odpowiada na potrzeby stosowania skutecznych metod oceny komórek jajowych. Obecnie analizujemy możliwe scenariusze komercjalizacji i wspieramy zespół w poszukiwaniu partnerów zainteresowanych dalszym rozwojem rozwiązania, tak by docelowo umożliwić jego wykorzystanie w laboratoriach embriologicznych – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii CITTRU Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Zespół naukowy prowadzi prace badawcze i walidacyjne w trzech równoległych kierunkach. Jednym z nich są kompleksowe badania na modelach zwierzęcych, które dostarczają informacji na temat długoterminowego wpływu zmian profilu lipidowego oocytów na zdrowie dorosłego potomstwa. Drugi kierunek bazuje na scharakteryzowaniu przyczyn zmian profilu lipidowego komórek jajowych, udostępnionych do badań przez współpracujące kliniki leczenia niepłodności. Poza tym trwają prace nad stworzeniem komponentu sztucznej inteligencji wykorzystującego uczenie maszynowe w celu ustandaryzowania i przyspieszenia procesów analitycznych informacji uzyskiwanych z holotomografii. Docelowo komponent ten ma stać się integralną częścią oprogramowania współpracującego z mikroskopami holotomograficznymi, który umożliwi embriologom szybką, obiektywną ocenę jakości komórek jajowych. – Obecnie, mimo dynamicznego rozwoju technologii wspomaganego rozrodu, skuteczność procedur IVF (zapłodnienie pozaustrojowe – z ang. In Vitro Fertilization) nadal utrzymuje się na poziomie zaledwie około 35%. Jednym z głównych czynników limitujących współczynnik powodzenia jest brak obiektywnej i wiarygodnej metody oceny jakości oocytów wybieranych do zapłodnienia. Ufam, że nasza technologia doprowadzi do postępu w tej dziedzinie i rozwiąże problem, z którym kliniki borykają się od lat – dodaje prof. Grażyna Ptak.
Projekt został zrealizowany przez zespół kierowany przez prof. dr hab. Grażynę Ptak z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego (MCB UJ), mgr Hafsę Gulzar, prowadzącą badania doktorskie w MCB UJ pod kierunkiem Prof. Ptak oraz dr hab. inż. Joanną Depciuch-Czarny z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.
Na zdjęciu, od lewej: mgr Hafsa Gulzar i prof. dr hab. Grażyna Ptak (Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ) oraz dr hab. inż. Joanna Depciuch-Czarny (Instytut Fizyki Jądrowej PAN).
