CNSH. Nguyễn Thành Nam - IVFMD SIH - Bệnh viện phụ sản Quốc tế Sài Gòn
 
Bài này là phần tiếp theo của bài phân tích tinh trùng, thao tác noãn và thụ tinh. Trong phần thứ hai này sẽ tập trung nghiên cứu về nuôi cấy phôi, đánh giá phôi và đông lạnh phôi.
 
TỰ ĐỘNG NUÔI CẤY PHÔI
Công nghệ vi lỏng
Khả năng tự động hóa trong việc nuôi cấy phôi trong phòng thí nghiệm IVF có thể được hiện thực hóa bằng công nghệ vi lỏng (Microfluidics). Đây là một công nghệ có thể kiểm soát và điều khiển chất lỏng ở một thể tích rất nhỏ. Các kênh vi mô cho phép điều chỉnh tinh vi các dòng môi trường bằng cách liên tục đổi mới chất dinh dưỡng mà không cần thao tác với phôi bên ngoài tủ cấy, do đó giảm thiểu dao động nhiệt độ / pH, sự thay đổi độ thẩm thấu và áp lực do pipette gây ra. Một số các hệ thống sử dụng vi lỏng để nuôi cấy phôi đã được nghiên cứu, phát triển và đánh giá.
 
Tuy nhiên hiện tại, không có nền tảng microfluidic nào có thể tích hợp tất cả các bước IVF. Và để hướng tới mục tiêu này, các nhóm nghiên cứu khác nhau đã thử nghiệm rất nhiều các hệ thống vi lỏng kết hợp một số quy trình IVF khác nhau. Các nghiên cứu này vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn và vẫn sẽ cần phải nghiên cứu, đánh giá thêm.
Cảm biến nano
Trong hệ thống vi lỏng, các phôi đơn lẻ được bao quanh bởi thể tích môi trường tối thiểu. Thông tin liên quan về tình trạng phát triển của phôi có thể thu được bằng cách phân tích các thay đổi trong thành phần môi trường nuôi cấy đã qua sử dụng. Các mô-đun phân tích hoặc cảm biến nano có thể được tích hợp vào microfluidic để đo lường hoạt động trao đổi chất của phôi và các chỉ số đánh giá khả năng sống của phôi như pH, mức tiêu thụ oxy, chất chuyển hóa của phôi  và các gốc oxy hóa.
 
Như đã đề cập trước đây, microfluidics cho phép thay đổi dần dần môi trường nuôi cấy, điều này có thể giúp phôi phát triển tốt hơn. Do đó, có thể hình dung một hệ thống nuôi cấy phôi nơi các chất dinh dưỡng được bổ sung và các chất thải bị loại bỏ trên cơ sở nhu cầu thật sự của phôi bằng cảm biến nano.
 
Đây chắc chắn đây là một lĩnh vực đầy hứa hẹn trong ART, nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm và một số câu hỏi vẫn còn chưa có lời giải ví dụ như điều kiện nuôi cấy thực tế, hệ thống máy bơm nên được tích hợp như thế nào vào hệ thống nuối cấy.
 
TỰ ĐỘNG ĐÁNH GIÁ PHÔI
Hệ thống Time-lapse
Bên cạnh các thiết bị nuôi cấy phôi, để cải thiện kết quả lâm sàng và hiệu quả điều trị, phôi có tiềm năng làm tổ và mang thai cao hơn cần phải được lựa chọn chính xác. Lựa chọn phôi để chuyển là một bước quan trọng trong IVF nhằm hạn chế tối đa số lần chuyển phôi.
 
Tự động hóa đánh giá phôi đã được nghiên cứu rộng rãi và đang rất phát triển. Phương pháp thông thường để theo dõi phôi dựa trên hình thái bằng kính hiển vi đảo ngược tại một vài thời điểm cụ thể đang được áp dụng ở hầu hết phòng thí nghiệm hiện nay. Tuy nhiên, phương pháp này rất dễ gây ảnh hưởng cho phôi vì chúng phải được đưa ra khỏi tủ cấy để quan sát.
 
Những hạn chế này đã được khắc phục trên các hệ thống Time-lapse giúp cung cấp các điều kiện nuôi cấy ổn định từ thời điểm thụ tinh cho đến khi kết thúc nuôi cấy, với sự dao động tối thiểu về pH, độ ẩm và nhiệt độ. Time-lapse có thể được tích hợp vào bất kỳ nền tảng IVF tự động nào. Nhờ vào một chuỗi hình ảnh được chụp ở tần số xác định, Time-lapse là một công cụ tuyệt vời để xác định những thay đổi không thể nhìn thấy bằng đánh giá hình thái, từ các sự kiện ban đầu ở giai đoạn một tế bào, chẳng hạn như sự xuất hiện thể cực thứ hai, tế bào chất thay đổi, và hình thành hạt nhân, cho đến các sự kiện sau này như phân chia tế bào, tế bào đa nhân, sự nén và sự tạo khoang phôi nang, cũng như các hiện tượng phát triển không bình thường (phân chia hỗn loạn, phân chia ngược và phân chia trực tiếp).
 
Phân tích máy học sâu (machine learning) và trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ là những nhân vật chính trong quá trình tự động hóa lựa chọn phôi thông qua việc xử lý hình ảnh Time-lapse.
Đo lường các chất chuyển hóa của phôi
Trong quá trình nuôi cấy, phôi hấp thụ pyruvate, glucose và axit amin và tạo ra các chất chuyển hóa khác nhau như lactate, amoniac, enzyme và hormone. Sự khác biệt về nồng độ các chất chuyển hóa có thể phản ánh sự khác biệt sinh lý giữa các phôi có các đặc điểm hình thái giống nhau.
 
Metabolomics là một phương pháp nghiên cứu toàn bộ các quá trình sinh học xảy ra trong một giếng nuôi phôi đơn lẻ bằng cách kiểm tra sự thay đổi của các chất chuyển hóa thông qua một hệ thống tín hiệu vật lý hoặc hóa học.
 
Sự trao đổi chất của phôi cũng được đặt trong mối quan hệ với động học hình thái phôi. Hướng đến một hệ thống tự động, sự kết hợp của xử lý hình ảnh Time-lapse và phân tích chất chuyển hóa có thể cung cấp một công cụ thời gian thực không xâm lấn nhằm đánh giá và lựa chọn phôi.
 
TỰ ĐỘNG TRỮ-RÃ ĐÔNG PHÔI
Thủy tinh hóa
Một lĩnh vực nghiên cứu khác trong tự động hóa ART nhằm thay thế công việc của con người trong phòng thí nghiệm IVF là trữ - rã đông phôi. Hiện nay quá trình thủy tinh hóa được thực hiện thủ công và kết quả hoàn toàn phụ thuộc vào việc tuân thủ tỉ mỉ các bước quy trình, đó lý do tại sao nó là một trong những quy trình rất phụ thuộc vào kỹ năng chuyên viên phôi học.
 
Nồng độ và thời gian tiếp xúc với chất bảo vệ đông lạnh (CPA) là rất quan trọng trong quá trình thủy tinh hóa và rã đông: sự thay đổi trong một hoặc cả hai thông số có thể gây ra sốc thẩm thấu và độc tính cho phôi và do đó làm giảm khả năng sống của phôi. Cần lưu ý rằng không chỉ cần phải đảm bảo tỷ lệ sống của phôi mà còn phải đảm bảo tiềm năng phát triển của phôi. Do đó việc tự động hóa một quy trình kỹ thuật phụ thuộc nhiều vào kỹ năng của con người sẽ giúp cải thiện rất nhiều tính nhất quán của các phòng lab IVF.
 
Hiện nay đã xuất hiện một hệ thống giúp tự động hóa sự trao đổi CPA trong quá trình trữ rã phôi, hệ thống này cho phép đạt được sự thay đổi dần dần và liên tục nồng độ CPA, do đó làm giảm sự căng thẳng tế bào và cải thiện khả năng phục hồi sau trữ rã. Hơn nữa, mặc dù có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên phôi động vật, hệ thống này mới chỉ được thực hiện trên một số lượng hạn chế trên phôi người được hiến tặng, trong đó chỉ có một nghiên cứu hồi cứu và các nghiên cứu tiến cứu vẫn còn thiếu.
 
Cuối cùng, quá trình thủy tinh hóa noãn vẫn còn là một vấn đề với các hệ thống tự động. Tỷ lệ thể tích / bề mặt cao của noãn khiến chúng đặc biệt nhạy cảm với stress thẩm thấu và nồng độ CPA cao.
 
Kết luận
Công nghệ hỗ trợ sinh sản bao gồm một loạt các quy trình từ đánh giá lâm sàng đến các quy trình trong phòng thí nghiệm, trải rộng qua các lĩnh vực chẩn đoán, điều trị và thực hành. Hiện tại, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các nền tảng tự động để nhằm phân tích tinh dịch, thao tác noãn, thụ tinh, theo dõi sự phát triển của phôi, lựa chọn phôi và trữ rã phôi. Việc áp dụng tự động hóa trong phòng thí nghiệm ART giúp cải thiện hiệu quả của các phương pháp điều trị và tiêu chuẩn hóa tất cả các quytrình. Tuy nhiên, hiện tại các quá trình tự động hóa vẫn sẽ tiếp tục đòi hỏi sự hỗ trợ của những chuyên viên phôi học để kiểm soát chất lượng, cài đặt thông số và khắc phục các lỗi hệ thống.
 
Cho đến nay một số hệ thống điều khiển vi lỏng đã được đề xuất và thử nghiệm trên các quần thể cỡ mẫu nhỏ trong mô hình động vật và trong một số trường hợp là trên trên tế bào người. Tuy nhiên vẫn cần các nghiên cứu RCT để xác nhận hiệu quả của chúng. Hầu hết nghiên cứu đều được thực hiện trên các hệ thốngtime-lapse vì đây là một phương pháp rất tốt không xâm lấn nhằm đánh giá phôi. Tuy nhiên hiện nay time-lapse chưa thể được coi là một hệ thống hoàn toàn tự động, cho đến khi trí tuệ nhân tạo có thể chọn phôi chính xác mà không cần đến sự can thiệp của con người.
Metabolomics cũng là một lĩnh vực cực kỳ thú vị và đầy hứa hẹn mà từ đó có thể thu thập được nhiều thông tin về quá trình phát triển phôi nhưng kết quả vẫn chưa thể được kiểm định chính xác.
Về trữ rã phôi, một số các hệ thống thủy tinh hóa tự động đã có sẵn trên thị trường. Mặc dù rất hứa hẹn cho việc đông lạnh phôi, vẫn còn thiếu các nghiên cứu mạnh mẽ để chứng minh tính tương đương hoặc tính ưu việt của nó so với các phương pháp thủy tinh hóa thủ công.
 
Các phương pháp tự động được mô tả trong bài tổng quan này vẫn còn rất riêng lẻ. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tích hợp các nền tảng vào trong một hệ thống duy nhất tạo nên chuỗi hành trình sản phẩm IVF nơi các phôi được tạo ra. Hơn nữa, hiệu quả chi phí và tính khả thi của các hệ thống như vậy sẽ cần được phân tích. Việc tạo ra các thiết bị mới thường tốn kém cần sự tham gia của các chuyên gia từ các lĩnh vực khác nhau, từ kỹ thuật đến khoa học sinh học. Do hiện nay quá trình sản xuất thiết bị chưa đạt đến quy mô lớn, các hệ thống thiết bị sẽ cực kỳ đắt đỏ, dẫn đến hạn chế khả năng tiếp cận đến các công nghệ mới.
 
Tài liệu tham khảo:
Valentina Casciani,Daniela Galliano, Jason M. Franasiak, Giulia Marian and Marcos Meseguer. Are we approaching automated assisted reproductive technology? Embryo culture, metabolomics,and cryopreservation.March 23, 2021

Từ khóa: Chúng ta đang bước sang kỷ nguyên của tự động hóa trong hỗ trợ sinh sản: Những ứng dụng trong nuôi cấy phôi, đánh giá phôi và đông lạnh phôi