ThS. Trương Văn Hải
IVFMD BMT - Bệnh viện Đại học Y dược Buôn Ma Thuột
 

1. Đặt vấn đề

Tiêm tinh trùng vào bào tương noãn (Intra Cytoplasmic Sperm Injection – ICSI) được giới thiệu lần đầu tiên năm 1990 như một trong những bước đột phá trong công nghệ hỗ trợ sinh sản (Assisted Reproductive Technologies - ART). Từ đó đến nay, ICSI đã trở thành công nghệ sử dụng phổ biến, chiếm khoảng 70-80% các chu kì điều trị ART. Kỹ thuật ICSI thông thường (conventional –ICSI – c-ICSI) được thực hiện trên hệ thống kính hiển vi phản pha đảo ngược có tích hợp bộ vi thao tác và quan sát, chọn lựa tinh trùng, tiêm tinh trùng dựa trên hình thái 3D quan sát thấy trên kính.

Trong thực hành lâm sàng, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thực hiện c-ICSI, trong đó chất lượng giao tử và kinh nghiệm của chuyên viên phôi học đóng vai trò quan trọng. Để cải thiện hiệu quả c-ICSI, nhằm gia tăng chất lượng điều trị, hiện nay nhiều phương pháp ICSI cải tiến đã được phát triển và ứng dụng trong các trung tâm IVF. Cùng với sự phát triển vượt bậc của trí tuệ nhân tạo kết hợp với tự động hóa, nhiều thử nghiệm đã được thực hiện nhằm đánh giá khả năng tự động trong quá trình ICSI, từ đó nâng cao hiệu quả. Những năm gần đây đã chứng kiến ​​một loạt các công nghệ, một số được tích hợp với trí tuệ nhân tạo, trong đó có tách trứng và ICSI tự động, bước đầu mang lại những kết quả khả quan. Bài viết này đề cập đến một số thành tựu bước đầu trong việc tự động hóa tách trứng và ICSI – hứa hẹn cá nhân hóa và ít nhất là tự động hóa một phần trong tương lai không xa.

2. Tách noãn tự động

Trước khi thực hiện ICSI, tách noãn là một công đoạn quan trọng để chuẩn bị giao tử. Tách noãn là quá trình bóc tách khối tế bào hạt xung quanh (OCC), chỉ thu nhận noãn bao bọc bởi màng trong suốt để ICSI. Hiện tại, việc tách noãn được thực hiện thủ công tại các phòng khám ICSI trên toàn cầu. Người người thực hiện thông qua kính hiển vi và thao tác trên tế bào noãn bằng cách sử dụng pipet điều khiển bằng miệng hoặc điều khiển bằng tay. Quá trình tách noãn được thực hiện theo hai bước. Đầu tiên, khối tế bào xung quanh (OCC) được phân giải trong enzyme hyaluronidase để làm suy yếu liên kết giữa các tế bào trong khối OCC. Do độc tính tiềm ẩn của hyaluronidase đối với noãn, thời gian trong enzym là rất quan trọng, tuy nhiên rất khó để kiểm soát chặt chẽ trong thao tác thủ công. Sau đó, tế bào xung quanh được tách ra khỏi noãn bằng cách hút bằng pipet và rửa trong một loạt môi trường không có enzym. Trong quá trình hút và rửa bằng pipet, rất khó nhận biết và thao tác với các tế bào noãn và các tế bào xung quanh, đặc biệt là khi số lượng noãn nhiều. Ngoài ra, tách noãn thủ công là một công việc tốn nhiều thời gian và công sức, không nhất quán giữa những người thực hiện khác nhau, dẫn đến hiệu quả tách cũng khác nhau đáng kể [5].

Nghiên cứu đầu tiên (2005) thực hiện tách noãn thông qua kênh vi lỏng (microfluidic). Nhóm tác giả sử dụng kênh vi lỏng được kiểm soát chính xác không gian và thời gian, xây dựng bằng polydimethylsiloxan (PDMS) với kích thước kênh theo cùng thứ tự với đường kính noãn (khoảng 120 micromet) cho phép kiểm soát chính xác môi trường chất lỏng cục bộ. Hệ thống này sử dụng các dòng chảy được điều khiển áp suất để tác động lên noãn, qua đó loại bỏ các tế bào xung quanh [1]. Nghiên cứu của Weng và cộng sự (2018) cũng thực hiện tách noãn chuột thông qua kênh microfluidic, tuy nhiên những kênh này được thiết kế theo dạng răng cưa để có thể bóc khối tế bào xung quanh hiệu quả hơn. Thiết bị này được thiết kế với các kênh khác nhau, mức độ giãn nở khác nhau. Kết quả cho thấy hiệu quả tách noãn cao. Sau quá trình ICSI, tỷ lệ thụ tinh và phát triển phôi không có khác biệt so với tách noãn thủ công. Thiết bị tách noãn này được cho là tiềm năng tịnh tiến để xử lý mẫu người theo cách thức xử lý tự động, tiêu chuẩn hóa và liên tục trong thực hành lâm sàng [2].

Phát triển từ hệ thống microfluidic, Xie và cộng sự (2021) đã tiến hành thử nghiệm tách noãn chuột dựa trên các sóng âm. Hệ thống này phát triển dựa trên các sóng âm bề mặt surface acoustic waves (SAWs) trong 1 microwell. Mỗi thí nghiệm sử dụng 10 noãn chưa tách với liều hyaluronidase thấp (20 IU/ml) và loại bỏ ở các tần số khác nhau: 200 hoặc 80 MHz SAWs. Để đạt đến mức tách hoàn toàn, tách noãn thông thường cần khoảng 15 giây, tuy nhiên trong hệ thống này chỉ cần tối đa 5 giây. Noãn được xử lý bởi 200 MHz SAW (n = 25), 80 MHz SAW (n = 40) và tách noãn thông thường (n = 30) đã được thụ tinh bởi piezo-ICSI, dẫn đến tỷ lệ sống (84,0%, 82,5% và 83,3%); thụ tinh (80,0%, 80,0% và 83,3%) và phôi nang (82,0%, 72,5% và 66,7%). Các cấu hình hình thái học của phôi từ nhóm xử lý 200 và 80 MHz có thể so sánh với nhóm đối chứng. Tổng cộng 15 phôi nang từ nhóm xử lý 200 MHz và 29 phôi nang từ nhóm xử lý 80 MHz đã được chuyển, kết quả là 5 chuột con từ nhóm 200 MHz và 10 chuột con từ nhóm 80 MHz. Tất cả con cái đều cai sữa và được chứng minh là có khả năng sinh sản [3]. Nghiên cứu của Mokhtare và cộng sự (2022) thực hiện tách noãn dựa trên sóng siêu âm. Trong nghiên cứu này, một thiết bị siêu âm quy mô chip bao gồm bốn đầu dò xen kẽ (IDT) trên nền lithium niobate đã được thiết kế để cung cấp sóng siêu âm dải megahertz (MHz) để thực hiện quá trình tách. Dòng và bức xạ âm khuấy động các OCC bên trong một microwell được đặt trên đầu LiNbO3 chất nền để tách noãn. Nghiên cứu này cho thấy hiệu quả của quá trình tách noãn này, đồng thời tác giả cho rằng việc đạt được sự tự động hóa của quy trình thủ công tinh vi này sẽ mở đường cho các bước xử lý tế bào noãn được cải tiến và tiêu chuẩn hóa [4].

Những nghiên cứu kể trên đa phần được thực hiện dựa trên kênh vi lỏng, chưa có nghiên cứu nào dựa trên phương pháp tiếp cận thông qua robot. Do đó, gần đây Zhai và cộng sự (2022) đã tiến hành phương pháp tách noãn chuột tự động dựa trên Robot. Hệ thống này đạt được sự bóc mòn tế bào noãn với các kỹ thuật sau: (1) sử dụng phương pháp phát hiện tiếp xúc để xác định vị trí z tương đối của đầu micropipette và bề mặt đĩa; (2) nhận dạng tự động tế bào noãn và các tế bào xung quanh; (3) sử dụng các thuật toán để loại bỏ góc lệch của giai đoạn XY (trục x,y); và (4) điều khiển tự động tốc độ dòng chảy từ bơm tiêm. Nghiên cứu này thông qua robot và AI để nhận dạng, tính toán sai số và điều chỉnh tương tác giữa micropipette và noãn dưới tác động của 1 dòng chảy nhất định, từ đó việc tách noãn được sạch hơn, đồng nhất hơn. Kết quả cho thấy, hệ thống robot đạt được tỷ lệ năng suất cao hơn đáng kể so với hoạt động thủ công của một chuyên viên phôi học có kinh nghiệm cao (97,0 ± 2,8% so với 86,9 ± 1,7%). Tỷ lệ thụ tinh trung bình và tỷ lệ phát triển phôi từ noãn tách bằng hệ thống robot đối với ICSI là 97,8 ± 2,2% và 79,8 ± 1,2%, cao hơn đáng kể khi so sánh với tỷ lệ 91,5 ± 2,1% và 78,5 ± 1,0% từ noãn tách thủ công (p = 0,19> 0,05 và p = 0,92> 0,05; kiểm định Student’s t test). Hệ thống này được cho là chuẩn hóa quy trình, cải thiện hiệu suất tách noãn [5].

3. Robot ICSI

Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, tự động hóa kết hợp với trí tuệ nhân tạo (AI) được kỳ vọng sẽ thay thế các phương pháp thủ công hiện tại trong ART, đặc biệt là hệ thống ICSI tự động. Hiện nay, ICSI tự động được kì vọng sẽ thay thế c-ICSI để cải thiện thời gian, hiệu quả lựa chọn giao tử và giảm tổn thương trong quá trình thực hiện.

Zhe Lu và cộng sự (2011) đã báo cáo thử nghiệm đầu tiên về việc ứng dụng robot vào quá trình ICSI. Trong thử nghiệm này, di động và hình thái của tinh trùng được phân tích thông qua hệ thống xử lý với nhiều thuật toán phức tạp nhằm lựa chọn tinh trùng có chất lượng tốt nhất. Bước cố định tinh trùng cũng được thực hiện chính xác, và chỉ cần nhấp chuột để điều khiển bất động tinh trùng. Tương tự, các thông số của noãn cũng được phân tích để có được vị trí ICSI tốt nhất. Trong nghiên cứu thực hiện robot ICSI trên 120 noãn Hamter và tinh trùng của người hiến tặng. Thời gian trung bình ICSI mỗi noãn là 2 phút, tương đương với thao tác của một chuyên viên phôi học có kinh nghiệm. Kết quả, tỷ lệ ICSI thành công là 90%, tỷ lệ thoái hóa là 9,3%. Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của việc ứng dụng robot ICSI, là tiền đề cho những nghiên cứu ứng dụng trong thực hành lâm sàng [6]. Gần đây, nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động hóa trong nhận diện giao tử, bất động tinh trùng, xoay tế bào noãn tự động đã được tiến hành, đem lại những kết quả nhất định. Saadat và cộng sự (2018) đã phát triển phương pháp nhận dạng vị trí noãn bào tự động thông qua xác định vị trí thể cực, hình thái noãn và vị trí ICSI [7]. Cùng với đó, Zhang đã phát triển hệ thống bất động tinh trùng dựa trên robot. Nghiên cứu tiến hành bất động 400 tinh trùng, với tỷ lệ nhận dạng đầu là 96%, xác định vị trí đuôi với độ chính xác 1,08 μm trong nhiều điều kiện khác nhau, kể cả có sự tác động của nhiều tinh trùng khác. Tỷ lệ thành công chung của hệ thống này là 94,5%, không phụ thuộc vào vận tốc và hướng bơi của tinh trùng [8]. Zenan Wang và cộng sự (2020) đã báo cáo nghiên cứu ứng dụng hệ thống xoay noãn theo mong muốn, dựa trên sự phân tích của hệ thống máy tính. Kết quả chứng minh hệ thống có khả năng nhận diện cấu trúc nội bào của noãn, và xoay định hướng noãn theo mong muốn (11,2 s/noãn). Hiệu quả tổng thể đạt 95%, nhanh hơn thao tác xoay thủ công của một chuyên viên phôi học có kinh nghiệm [8]. Hỗ trợ thêm vào các phương pháp này, nghiên cứu của Liu và cộng sự (2022) đã tiến hành tối ưu hóa mức độ thâm nhập vào tế bào noãn khi ICSI dựa trên sức căng bề mặt. Kết quả thống kê cho thấy tỷ lệ biến dạng nội bào lớn giảm 80% và biến dạng nội bào tối đa và trung bình giảm 25–38% ở tốc độ xâm nhập 50 μm / s so với ở tốc độ 10 μm / s. Tỷ lệ phân cắt của noãn sau khi thâm nhập tăng từ 65,56% lên 86,36%, khi tốc độ xâm nhập tăng từ 10 đến 50 μm / s. Cuối cùng, nghiên cứu xác minh sự biểu hiện gen của tế bào noãn sau khi thâm nhập ở các tốc độ khác nhau. Kết quả cho thấy các gen có vai trò chống độc, tự sửa chữa của noãn cao hơn đáng kể sau khi thâm nhập ở tốc độ 50 μm / s, điều này đã xác minh tính hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa ở cấp độ gen [9].

4. Kết luận

ICSI đang dần trở nên phổ biến và là một kỹ thuật quan trọng trong điều trị hỗ trợ sinh sản. Hiện nay, nhiều phương pháp cải tiến khác nhau đã được phát triển với kì vọng có thể ứng dụng rộng rãi, thay thế c-ICSI nhằm nâng cao hiệu quả điều trị. Ngoài ra, khâu chuẩn bị giao tử cũng ngày càng được chú trọng, từ chuẩn bị tinh trùng tới tách noãn. Hiện tại, những nghiên cứu tự động hóa trong tách noãn và ICSI mới bước đầu được thực hiện, chủ yếu trên các mô hình động vật. Mặc dù vậy, các nghiên cứu đều đem lại kết quả khả quan, đạt đến mức tự động hóa và tinh vi. Trong tương lai, các phương pháp này được kỳ vọng sẽ phát triển mạnh mẽ, thay thế các quy trình thủ công hiện tại. Tuy nhiên, cần cân nhắc ứng dụng các kỹ thuật này ứng với từng nhóm đối tượng bệnh nhân cụ thể, và điều kiện của từng trung tâm nhất định để có thể phát huy hiệu quả tốt nhất. Trong tương lai, cần có nhiều đánh giá hơn về tính an toàn và hiệu quả, cũng như tiềm năng ứng dụng rộng rãi của các phương pháp ICSI cải tiến này trước khi ứng dụng vào thực hành lâm sàng.

Tài liệu tham khảo
[1]       Hc Z., Mb W., and Dj B., “A microfluidic method for removal of the zona pellucida from mammalian embryos,” Lab on a chip, vol. 5, no. 1, Jan. 2005, doi: 10.1039/b406703g.
[2]       L. Weng, G. Y. Lee, J. Liu, R. Kapur, T. L. Toth, and M. Toner, “On-chip oocyte denudation from cumulus-oocyte complexes for assisted reproductive therapy,” Lab Chip, vol. 18, no. 24, pp. 3892–3902, Dec. 2018, doi: 10.1039/c8lc01075g.
[3]       P. Xie, A. Mokhtare, B. Davaji, Z. Rosenwaks, A. Abbaspourrad, and G. D. Palermo, “AN EXPEDITED AND SAFE OOCYTE DENUDATION SYSTEM BASED ON SOUNDWAVES IN A MICROFLUIDIC CHIP,” Fertility and Sterility, vol. 116, no. 3, pp. e152–e153, Sep. 2021, doi: 10.1016/j.fertnstert.2021.07.413.
[4]       A. Mokhtare et al., “Non-contact ultrasound oocyte denudation,” Lab Chip, vol. 22, no. 4, pp. 777–792, Feb. 2022, doi: 10.1039/d1lc00715g.
[5]       W. Chen et al., “Clinical benefits of a modified Cryopiece system for cryopreservation of rare ejaculated and testicular spermatozoa for ICSI,” Asian J Androl, Jan. 2022, doi: 10.4103/aja2021101.
[6]       Z. Lu, X. Zhang, C. Leung, N. Esfandiari, R. F. Casper, and Y. Sun, “Robotic ICSI (intracytoplasmic sperm injection),” IEEE Trans Biomed Eng, vol. 58, no. 7, pp. 2102–2108, Jul. 2011, doi: 10.1109/TBME.2011.2146781.
[7]       M. Saadat, A. M. Hajiyavand, and A. Singh Bedi, “Oocyte Positional Recognition for Automatic Manipulation in ICSI,” Micromachines (Basel), vol. 9, no. 9, p. 429, Aug. 2018, doi: 10.3390/mi9090429.
[8]       Z. Wang, Y. Hu, J. Wei, and W. T. Latt, “Visual Servoed Robotic Mouse Oocyte Rotation,” IEEE Trans Biomed Eng, vol. 67, no. 8, pp. 2389–2396, Aug. 2020, doi: 10.1109/TBME.2019.2961702.
[9]       Y. Liu, M. Cui, Y. Zhang, X. Zhao, M. Sun, and X. Zhao, “Oocyte Penetration Speed Optimization Based on Intracellular Strain,” Micromachines (Basel), vol. 13, no. 2, p. 309, Feb. 2022, doi: 10.3390/mi13020309.
 

Từ khóa: Tự động hóa tách noãn và ICSI – tiềm năng ứng dụng trong tương lai