CN. Đặng Ngọc Minh Thư, ThS. Nguyễn Huyền Minh Thụy
IVF Tâm Anh

1. Tổng quan

Trong thập kỷ qua, kỹ thuật hỗ trợ sinh sản (Assisted reproductive technology – ART), đã đạt được nhiều bước tiến vượt bậc, mang lại cơ hội sinh con cho hàng triệu cặp vợ chồng hiếm muộn. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy phôi để đạt được kết quả thai kỳ thành công và sinh sống khỏe mạnh. Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng phôi và sự thành công của IVF chính là điều kiện môi trường nuôi cấy phôi, trong đó, nồng độ oxy đóng vai trò then chốt đối với sự phát triển và làm tổ của phôi.
 
Trong những năm đầu của ART, nuôi cấy phôi được duy trì ở nồng độ oxy khí quyển (khoảng 20%), một mức oxy cao hơn nhiều so với điều kiện sinh lý. Việc này đã tạo ra sự khác biệt lớn giữa môi trường nuôi cấy phôi in vitro và in vivo, dẫn đến những nghi ngại về ảnh hưởng tiêu cực của mức oxy cao này đến sự phát triển của phôi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng môi trường có nồng độ oxy 5%, có thể giúp phôi phát triển tốt hơn, tỉ lệ phôi nang và tỉ lệ làm tổ cao hơn. Tuy nhiên gần đây, đã có một số đánh giá về lợi ích của việc giảm nồng độ oxy xuống chỉ còn 2% khi nuôi cấy từ giai đoạn phôi phân chia đến giai đoạn phôi nang, một mức oxy gần với điều kiện tự nhiên trong tử cung. Mặc dù nồng độ oxy 2% được cho là có tiềm năng gần như mô phỏng lại điều kiện sinh lý, tuy nhiên hiệu quả của việc chuyển sang môi trường oxy “ultra 5% - low 2%” này vẫn gây ra nhiều tranh cãi. Bên cạnh đó, các thách thức về kỹ thuật trong việc duy trì điều kiện môi trường nuôi cấy ổn định ở nồng độ oxy thấp khiến cho việc áp dụng phương pháp này trong thực tiễn còn gặp phải không ít khó khăn.
 
Bài viết này sẽ tiến hành phân tích và so sánh các nghiên cứu hiện có về việc nuôi cấy phôi ở nồng độ oxy 5% và 2%, từ đó đánh giá hiệu quả của từng chiến lược đối với sự phát triển phôi, tỉ lệ làm tổ, cũng như khả năng áp dụng trong lâm sàng. Thông qua đó, bài viết cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về việc tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy phôi trong IVF, với mục tiêu cải thiện tỉ lệ thành công và giảm thiểu các nguy cơ không mong muốn trong quá trình hỗ trợ sinh sản.
 

2. Vai trò của oxy trong phát triển phôi sớm và môi trường oxy sinh lý

Oxy là yếu tố thiết yếu trong quá trình phát triển của phôi người, tham gia vào hàng loạt quá trình sinh hóa quan trọng như chuyển hóa năng lượng, tín hiệu nội bào và kiểm soát chu kỳ tế bào. Ngay từ giai đoạn tiền làm tổ, phôi sớm đã phụ thuộc vào quá trình phosphoryl hóa oxy trong ty thể để tạo ra năng lượng dưới dạng ATP, cung cấp năng lượng cần thiết cho sự phân chia tế bào, tổng hợp protein và duy trì hoạt động tế bào chất. Tuy nhiên, nồng độ oxy không chỉ đóng vai trò cung cấp năng lượng mà còn ảnh hưởng sâu rộng đến hoạt động gene, mức độ methyl hóa DNA và các quá trình biệt hóa sớm, thông qua các cơ chế điều hòa biểu sinh và tín hiệu oxy hóa - khử.
 
Trong điều kiện sinh lý tự nhiên, phôi người phát triển trong một môi trường có nồng độ oxy thấp. Ở đoạn xa của vòi tử cung - nơi diễn ra quá trình thụ tinh - nồng độ oxy được ước tính dao động khoảng 5% đến 8%. Khi phôi di chuyển dần về buồng tử cung - môi trường chính cho giai đoạn làm tổ - nồng độ oxy tiếp tục giảm xuống, chỉ còn khoảng 2% đến 5% trong dịch nội mạc tử cung. Sự phân bố nồng độ oxy giảm dần theo trục vòi trứng - tử cung được cho là một đặc điểm tiến hóa thích nghi, giúp bảo vệ phôi đang phát triển khỏi tổn thương do các loại gốc tự do oxy (Reactive oxygen species – ROS), đồng thời duy trì một môi trường nội bào cân bằng để phôi phát triển ổn định (1), (2).
 

3. Nuôi cấy đơn pha với nồng độ oxy thấp (5%)

Trong những thập niên đầu phát triển của ART, các hệ thống nuôi cấy phôi thường được thiết lập trong điều kiện oxy khí quyển (~20%), chủ yếu do giới hạn về thiết bị và công nghệ kiểm soát khí (3). Việc sử dụng không khí thông thường trong tủ cấy được xem là thuận tiện và khả thi trong môi trường lâm sàng thời kỳ đầu, nhưng dần bộc lộ những bất cập. Các bằng chứng từ nghiên cứu trên động vật và người cho thấy nồng độ oxy cao bất thường có thể thúc đẩy sản sinh ROS, gây tổn thương DNA, lipid và protein trong phôi. Stress oxy hóa không kiểm soát còn có thể ảnh hưởng đến chức năng ty thể, gây đột biến ty thể, thay đổi quá trình biệt hóa tế bào và làm suy giảm khả năng phát triển đến giai đoạn phôi nang. Vì vậy, việc “tái tạo” lại điều kiện nồng độ oxy tương tự sinh lý trong hệ thống nuôi cấy in vitro được xem là mục tiêu trọng yếu nhằm nâng cao hiệu quả của các chu kỳ IVF (4), (5).
 
Từ đầu những năm 2000, khi các hệ thống tủ cấy và bộ điều hòa khí chuyên biệt được phát triển, cho phép kiểm soát chính xác hơn thành phần khí trong môi trường nuôi cấy, một sự chuyển dịch rõ rệt đã diễn ra. Các trung tâm IVF tiên tiến bắt đầu áp dụng nuôi cấy phôi trong điều kiện oxy thấp, khoảng 5%, tương ứng với nồng độ oxy sinh lý trong vòi tử cung. Hàng loạt nghiên cứu sau đó đã cho thấy điều kiện oxy thấp không những cải thiện tỉ lệ hình thành phôi nang, mà còn làm tăng chất lượng phôi, giảm tỉ lệ phân mảnh, nâng cao tỉ lệ thai lâm sàng.
Phân tích thống kê của Stephan và cộng sự (2012), dựa trên 7 nghiên cứu, bao gồm 2.422 bệnh nhân tham gia đã cho thấy việc nuôi cấy phôi trong điều kiện có nồng độ oxy thấp cải thiện tỉ lệ thành công của IVF và ICSI, giúp sinh ra nhiều trẻ sơ sinh khỏe mạnh hơn (OR=1,39; 95% KTC:1,11-1,76; P=0,005; I2=0%); không có bằng chứng nào cho thấy việc nuôi cấy phôi trong điều kiện nồng độ oxy thấp dẫn đến số lượng các biến cố bất lợi cao hơn như đa thai, sảy thai và bất thường bẩm sinh (3). Tương tự, phân tích tổng hợp của Carolina và cộng sự (2016) đánh giá 21 nghiên cứu so sánh giữa nuôi cấy phôi trong điều kiện oxy thấp (5%, 6%) và nồng độ oxy khí quyển (20%) cho thấy tỉ lệ phát triển phôi, chất lượng thai kỳ và trẻ sinh sống tốt hơn ở nhóm nuôi cấy trong nồng độ oxy thấp (5). Gần đây hơn nữa là phân tích tổng hợp của Sciorio (2019) đã kết luận rằng ưu điểm của nuôi cấy phôi ở nồng độ oxy thấp bao gồm:​ (i) Cải thiện sự phát triển phôi: Hầu hết các nghiên cứu đều cho thấy nuôi cấy phôi ở 5% oxy giúp tăng tỉ lệ phát triển đến giai đoạn phôi nang, cải thiện chất lượng phôi và tăng khả năng làm tổ.​ (ii) Giảm stress oxy hóa: Nồng độ oxy thấp giúp giảm sản sinh các loại gốc tự do oxy (ROS), từ đó bảo vệ phôi khỏi tổn thương DNA và cải thiện môi trường nội bào.​ (iii) Tăng cường biểu hiện gen chống oxy hóa: Điều kiện oxy thấp kích thích biểu hiện các enzym chống oxy hóa và tăng hoạt động của các chất vận chuyển glucose, hỗ trợ chuyển hóa năng lượng cho phôi.​ (iv) Tác động đến biểu hiện gene: oxy thấp ảnh hưởng đến biểu hiện gene liên quan đến quá trình phát triển và biệt hóa tế bào (6). Nhìn chung, nuôi cấy phôi với nồng độ oxy 5% hiện nay được xem là tiêu chuẩn vàng trong nhiều phòng thí nghiệm IVF trên thế giới, đặc biệt trong bối cảnh nuôi cấy kéo dài đến giai đoạn phôi nang.
 

4. Nuôi cấy phôi hai pha với nồng độ oxy thấp và cực thấp

Một hướng tiếp cận mới trong tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy phôi là chiến lược sử dụng “hai pha oxy” - bắt đầu với nồng độ 5% đến giai đoạn phôi phân chia (ngày 3), sau đó chuyển sang môi trường có nồng độ oxy thấp hơn, thường là 2%, trong giai đoạn nuôi cấy kéo dài đến phôi nang (ngày 3 - 5/6). Điều này được phân biệt với sử dụng một nồng độ oxy 5% xuyên suốt quá trình nuôi, hay còn gọi là “đơn pha oxy”. Chiến lược này được xây dựng dựa trên hiểu biết về sự khác biệt trong vi môi trường sinh lý giữa vòi trứng và tử cung, cũng như những nhu cầu trao đổi chất thay đổi theo thời gian của phôi. Giai đoạn đầu phát triển, phôi chủ yếu dựa vào sự oxy hóa pyruvate trong điều kiện ít tiêu thụ oxy, trong khi giai đoạn sau tăng hoạt động của ty thể và cần môi trường giảm thiểu stress oxy hóa hơn nữa để bảo vệ chức năng tế bào. Việc mô phỏng sát hơn môi trường sinh lý thông qua chiến lược hai pha không chỉ giúp hạn chế tổn thương do gốc tự do mà còn được kỳ vọng cải thiện hiệu quả phát triển phôi, chất lượng phôi nang và kết cục lâm sàng (7).
 
Thử nghiệm đầu tiên về chiến lược nuôi cấy phôi 2 pha của Daniel và cộng sự (2018) cho thấy: đánh giá trên 176 phôi phân chia ở cả 2 nhóm, tỉ lệ hình thành phôi nang ở nhóm nuôi cấy 2 pha (40,2%) cao hơn so với nhóm nuôi cấy một pha (22,5%) có ý nghĩa thống kê. Nuôi cấy 2 pha có thay đổi về lượng tương đối của các axit amin đồng hóa và chất chuyển hóa liên quan đến cân bằng oxy hóa khử. Ngoài ra, biểu hiện tăng của MUC1 - một glycoprotein quan trọng đối với sự kết dính phôi và xâm lấn nội mạc tử cung trong tế bào TE cũng được ghi nhận (8). Nghiên cứu hồi cứu của Sophie và cộng sự (2021) trên 120 cặp vợ chồng, thực hiện 240 chu kỳ IVF cho rằng phương pháp nuôi cấy hai pha này hướng tới “back to nature”, có thể làm tăng hiệu quả điều trị IVF. Nghiên cứu này thực hiện so sánh trên cùng một cặp vợ chồng với kết quả phôi từ một chu kỳ nuôi cấy đơn pha oxy trước đó và một chu kỳ nuôi cấy hai pha oxy. Kết quả cho thấy, hệ thống nuôi cấy hai pha có hiệu quả hơn nuôi cấy đơn pha về tỉ lệ phát triển phôi nang (54,8% so với 44,4%; P=0,049); tỉ lệ phôi nang hữu dụng (32,8% so với 21,8%; P=0,002); tỉ lệ trẻ sinh sống tích lũy (44,1% so với 17,9%; P=0,027). Phân tích dấu hiệu phiên mã của phôi nang hiến tặng cho thấy hơn 707 RNA được biểu hiện khác biệt theo chức năng trong nhóm nuôi cấy hai pha (thay đổi gấp 2 lần, P<0,05). Các gene này chủ yếu liên quan đến sự phát triển phôi, sửa chữa DNA, tính đa năng của tế bào gốc phôi và tiềm năng làm tổ (9). Năm 2022, Mingzhao Li tiến hành nuôi cấy phôi ngày 3 chất lượng thấp đến giai đoạn phôi nang thông qua nuôi cấy đơn pha (296 phôi) và nuôi cấy hai pha (214 phôi) nhằm đánh giá hiệu quả hai phương pháp trên. Kết quả ghi nhận tỉ lệ tạo phôi nang cao hơn có ý nghĩa thống kê ở nhóm nuôi cấy hai pha so với nhóm đơn pha (39,72% so với 31,08%; P=0,043). Do đó, tác giả kết luận rằng với chiến lược nuôi cấy hai pha có lợi cho nhóm bệnh nhân không có phôi chất lượng tốt vào ngày 3 được nuôi cấy đến giai đoạn phôi nang (10).
 
Ngược lại với các kết luận trên, nghiên cứu của De Munck và cộng sự (2019) trên 1955 phôi với các nghiệm thức khác nhau so sánh giữa nuôi cấy đơn pha và hai pha cho thấy không có khác biệt có ý nghĩa thống kê về tỉ lệ tạo phôi nang, tỉ lệ phôi nang chất lượng tốt giữa hai nhóm. Nghiên cứu của Devan Patel và sộng sự (2023) trên 282 bệnh nhân cho thấy: không có sự khác biệt đáng kể nào về tỉ lệ mang thai và tỉ lệ làm tổ giữa nhóm nuôi cấy đơn pha và hai pha oxy. Ngoài ra tỉ lệ tạo phôi chất lượng tốt cao hơn ở nhóm nuôi cấy đơn pha (11). Do đó, đến nay các nghiên cứu về chiến lược nuôi cấy phôi hai pha vẫn chưa có nhiều, thiết kế chưa đồng nhất và kết quả về hiệu quả phát triển phôi và lợi ích lâm sàng của chiến lược này vẫn còn tranh cãi.
 
Việc áp dụng hệ thống nuôi cấy hai pha cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định. Thứ nhất, để duy trì môi trường oxy thấp ổn định, các phòng lab cần đầu tư vào hệ thống tủ nuôi cấy chuyên biệt với khả năng kiểm soát nồng độ khí chính xác và liên tục, điều này làm tăng chi phí đầu tư ban đầu cũng như chi phí vận hành. Do đó có thể tốn thêm chi phí cho đầu tư ban đầu, số lượng tủ cấy phải nhiều hơn cho số chu kỳ tương ứng và cần thêm diện tích. Thứ hai, việc vận hành và bảo trì các thiết bị nuôi cấy ở môi trường oxy thấp đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình kỹ thuật, nhằm tránh những dao động nồng độ oxy trong quá trình thao tác, vốn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của phôi. Thứ ba, việc di chuyển phôi từ tủ cấy này sang tủ cấy khác có thể dẫn đến những nguy cơ sự cố trong quá trình thao tác.
 

5. Kết luận

Chiến lược hai pha oxy (5% - 2%) được chứng minh là phù hợp với từng giai đoạn phát triển phôi tương tự như điều kiện sinh lý sinh sản tương ứng. Tuy nhiên, các kết quả vẫn còn phần nào không đồng nhất và phụ thuộc vào đặc điểm dân số bệnh nhân, điều kiện phòng lab và hệ thống nuôi cấy. Việc áp dụng nuôi cấy hai pha oxy cũng đòi hỏi các điều kiện kỹ thuật nghiêm ngặt và chi phí đầu tư cao hơn, là yếu tố cần cân nhắc trong ứng dụng lâm sàng rộng rãi.
 
Do đó, mặc dù chiến lược nuôi cấy hai pha thể hiện tiềm năng cải thiện kết cục điều trị, vẫn cần có thêm các nghiên cứu lâm sàng quy mô lớn, được thiết kế tốt để xác định chính xác hiệu quả và mức độ an toàn trước khi áp dụng rộng rãi trong thực hành lâm sàng thường quy.
 
Tài liệu tham khảo
1.         Catt JW, Henman M. Toxic effects of oxygen on human embryo development. Hum Reprod Oxf Engl. 2000 Jul;15 Suppl 2:199–206.
2.         Konstantogianni O, Panou T, Zikopoulos A, Skentou C, Stavros S, Asimakopoulos B. Culture of Human Embryos at High and Low Oxygen Levels. J Clin Med. 2024 Apr 11;13(8):2222.
3.         Bontekoe S, Mantikou E, van Wely M, Seshadri S, Repping S, Mastenbroek S. Low oxygen concentrations for embryo culture in assisted reproductive technologies. Cochrane Database Syst Rev. 2012 Jul 11;2012(7):CD008950.
4.         Gruber I, Klein M. Embryo culture media for human IVF: which possibilities exist? J Turk Ger Gynecol Assoc. 2011;12(2):110–7.
5.         Nastri CO, Nóbrega BN, Teixeira DM, Amorim J, Diniz LMM, Barbosa MWP, et al. Low versus atmospheric oxygen tension for embryo culture in assisted reproduction: a systematic review and meta-analysis. Fertil Steril. 2016 Jul;106(1):95-104.e17.
6.         Sciorio R, Smith GD. Embryo culture at a reduced oxygen concentration of 5%: a mini review. Zygote Camb Engl. 2019 Dec;27(6):355–61.
7.         Morin SJ. Oxygen tension in embryo culture: does a shift to 2% O2 in extended culture represent the most physiologic system? J Assist Reprod Genet. 2017 Mar;34(3):309–14.
8.         Randomized controlled trial of low (5%) versus ultralow (2%) oxygen for extended culture using bipronucleate and tripronucleate human preimplantation embryos - Fertility and Sterility [Internet]. [cited 2025 May 7]. Available from: https://www.fertstert.org/article/S0015-0282(18)30195-X/fulltext
9.         Brouillet S, Baron C, Barry F, Andreeva A, Haouzi D, Gala A, et al. Biphasic (5–2%) oxygen concentration strategy significantly improves the usable blastocyst and cumulative live birth rates in in vitro fertilization. Sci Rep. 2021 Nov 17;11:22461.
10.       Li M, Xue X, Shi J. Ultralow Oxygen Tension (2%) Is Beneficial for Blastocyst Formation of In Vitro Human Low-Quality Embryo Culture. BioMed Res Int. 2022 Jun 1;2022:9603185.
11.       Patel D, Patel RG, Patel T, Patel N, Maheshwari N. Limited Effects of Ultra-low Oxygen Concentration during Extended Embryo Culture on In vitro Fertilisation Outcomes in Indian Women: A Retrospective Cross-sectional Study. J Hum Reprod Sci. 2023;16(4):324–32.