CNSH. Nguyễn Thành Nam - IVFMD SIH - Bệnh viện phụ sản Quốc tế Sài Gòn
 
Các quy trình hỗ trợ sinh sản (ART) đòi hỏi sự chính xác cao trong thao tác và thời gian thực hiện nhanh chóng để tránh giao tử tiếp xúc lâu với các điều kiện bất lợi của môi trường xung quanh. Do đó tất cả các quy trình ART đều phải tuân theo quy tắc chính xác nhằm tiêu chuẩn hóa và giảm đến thấp nhất sai sót có thể xảy ra.

Để đáp ứng yêu cầu này, các chuyên viên phôi học cần được đào tạo kỹ lưỡng, yêu cầu phải có tay nghề cao và luôn có sự tập trung cao độ. Tuy nhiên, sự lặp đi lặp lại của các quy trình có thể gây ra sai sót cho người thực hiện, đặc biệt là khi khối lượng công việc ngày càng tăng.
Tự động hóa trong quy trình ART sẽ giúp làm giảm khối lượng công việc của các chuyên viên phôi học và do đó giúp giảm nguy cơ sai sót. Trước đây quy trình sản xuất ô tô đã phát triển từ sản xuất thủ công sang sản xuất tự động giúp quy trình trở nên an toàn hơn, chất lượng hơn và tiết kiệm hơn. Theo logic này, việc sử dụng các hệ thống tự động trong phòng thí nghiệm ART sẽ tiêu chuẩn hóa các quy trình và tránh sự khác biệt giữa các cá nhân.
 
Hiện tại, việc tự động hóa toàn bộ quy trình ART vẫn chưa ra đời. Bài báo này sẽ xem xét tiềm năng tự động hóa hiện tại trong phòng lab IVF, bao gồm đánh giá chọn lọc tinh trùng, thao tác trên noãn và thụ tinh bằng IVF cổ điển hoặc tiêm tinh trùng vào bào tương noãn (ICSI).
 
LỰA CHỌN VÀ CHUẨN BỊ GIAO TỬ
TINH TRÙNG
Phân tích tinh trùng
Hệ thống IVF tự động trước tiên cần có một công cụ phân tích tinh trùng được tiêu chuẩn hóa. Phân tích tinh dịch có sự hỗ trợ của máy tính (CASA) đã được phát triển dựa theo các tiêu chí như mật độ, khả năng di động và hình dạng của tinh trùng. Hiện tại có nhiều hệ thống CASA đã xuất hiện trên thị trường. Tuy nhiên, khả năng đánh giá di động bị ảnh hưởng ở các mẫu tinh trùng có mật độ cao do sự va chạm thường xuyên của tinh trùng.
 
Nhiều hệ thống khác được phát triển để phân tích tinh trùng dựa trên vi kênh và một số hiện đã được bán trên thị trường. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống không thể đo lường hết tất cả các thông số của tinh trùng.
 
Gần đây, Agarwal và các đồng nghiệp (2019) đã phát triển một hệ thống phân tích tinh trùng thế hệ mới đầy hứa hẹn dựa trên công nghệ kính hiển vi quang học kết hợp trí tuệ nhân tạo được thiết kế để định lượng mật độ và khả năng di động của tinh trùng và đo pH tinh dịch.
 
Chuẩn bị và chọn lựa tinh trùng
Việc xác định đúng tinh trùng cho ICSI là một phần quan trọng của quy trình IVF, hiện tại việc lựa chọn tinh trùng cho ICSI vẫn mang tính chủ quan của chuyên viên phôi học. Microfluidics là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để lựa chọn tinh trùng trong hệ thống ART tự động. Các thiết bị microfluidic hiện tại đều dựa trên khả năng di động để lọc tinh trùng, còn đối với các mẫu có độ di động và mật độ thấp thì có rất ít nghiên cứu. Do đó cần phải cần phát triển một thiết bị có thể lọc sạch tinh trùng từ các mẫu thủ thuật từ tinh hoàn và những mẫu bất thường về hình dạng nặng.
Một hệ thống có thể theo dõi quỹ đạo di chuyển của tinh trùng và tính toán các thông số về khả năng vận động và hình thái của tinh trùng sẽ là lý tưởng cho một hệ thống IVF tự động. Một kỹ thuật chọn lọc tinh trùng đầy hứa hẹn có thể ứng dụng vào hệ thống tự động là điện di tinh trùng, tuy nhiên hạn chế của kỹ thuật này có thể liên quan đến số lượng tinh trùng thu được rất thấp hoặc những ảnh hưởng của điện trường lên tinh trùng.
 
THAO TÁC VỚI NOÃN
Tìm và tách noãn
Bước đầu tiên trong quá trình thao tác noãn là tách khối phức hợp cumulus - noãn (COC) ra khỏi dịch nang. Thiết bị tự động hóa sẽ phải có khả năng di chuyển các phức hợp COC vào một môi trường sạch để rửa sạch các tế bào máu tích hợp với camera quan sát. Cho đến nay, một thiết bị như vậy vẫn chưa được phát minh.
 
Thao tác tách noãn thường được thực hiện bằng cách sử dụng pipette đưa khối COC vào môi trường chứa hyaluronidase, sau đó dùng áp lực hút đẩy để tách noãn ra khỏi phức hợp. Để quá trình tách an toàn hơn, người ta sử dụng các pipette có đường kính trong giảm dần, với đường kính hẹp nhất vẫn lớn hơn đường kính noãn. Hệ thống tự động cần được thiết kế, có thể bắt chước quy trình này một cách nhẹ nhàng hơn, ít ảnh hưởng đến sức sống của noãn.
 
Đánh giá chất lượng noãn
Sau khi đã tách được noãn, noãn sẽ được đánh giá và lựa chọn để tiến hành thụ tinh hoặc đông lạnh. Quá trình đánh giá dựa vào sự trưởng thành của nhân và các đặc điểm hình thái khác. Sự hiện diện của các tập hợp lưới nội chất trơn trong tế bào chất của noãn dường như là một dấu hiệu xấu và có liên quan đến sự thay đổi sinh lý noãn, mặc dù điều này còn gây tranh cãi. Tương tự như vậy, các noãn lưỡng bội thường bị loại bỏ. Đánh giá hình thái học và lựa chọn noãn là một thách thức đối với sự phát triển của hệ thống IVF tự động, vì nó sẽ yêu cầu một trí tuệ nhân tạo mạnh để phân tích hình ảnh noãn.
 
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về cơ sinh học tế bào đã chỉ ra rằng các tế bào có thể phản ứng tích cực với các kích thích từ môi trường bên ngoài. Trong quá trình phát triển in vivo, noãn tiếp xúc với nhiều loại kích thích, chẳng hạn như lực nhu động đẩy chúng qua các ống dẫn trứng, áp lực mà buồng trứng tạo ra trên các nang đang phát triển, các yếu tố trên khiến độ cứng của ZP gia tăng để ngăn ngừa đa thụ tinh.
 
THỤ TINH
Phương pháp IVF cổ điển
Việc sử dụng microfluidics để thụ tinh mang lại hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Nó giúp kiểm soát thời gian thụ tinh trong giới hạn cho phép, hạn chế sự tiếp xúc của noãn với các tác động bất lợi của các gốc oxy hóa của môi trường.
 
Hệ thống microfluidic đầu tiên trong tự động hóa IVF đã sử dụng trên noãn lợn. Một dòng môi trường chứa tinh trùng được điều khiển bởi trọng lực chảy qua các noãn được định vị tại một vị trí cố định của kênh vi lỏng. Hệ thống này có thể duy trì tốc độ xâm nhập của tinh trùng vào noãn và kiểm soát việc hình thành tiền nhân đực làm giảm đáng kể tỷ lệ đa thụ tinh.
 
Một thiết bị khác được phát triển và thử nghiệm trên noãn chó, bao gồm một phễu đầu vào để đưa giao tử và môi trường của một kênh vi mô nơi sẽ diễn ra quá trình thụ tinh. Trong thiết bị này người ta sử dụng noãn và tinh trùng từ mào tinh của chó. Tỷ lệ thụ tinh tăng đáng kể mặc dù mật độ tinh trùng rất kém. Nghiên cứu đưa ra triển vọng điều trị cho những người có tinh trùng ít.
 
Phương pháp ICSI
Việc phát triển thiết bị ICSI tự động là mục tiêu trong hơn một thập kỷ qua, mục đích để chuẩn hóa một quy trình rất vốn rất khó khăn với các chuyên viên phôi học. Leung và cộng sự (2011) đã trình bày một hệ thống cố định tinh trùng được vi tính hóa, hệ thống được trang bị một micropipette gắn trên một máy vi ống và được lập trình để thực hiện một chuỗi các chuyển động trong quá trình bất động tinh trùng. Hệ thống có thể tự động phân lập tinh trùng bằng cách sử dụng một thuật toán theo dõi đầu và đuôi của tinh trùng và sau đó tính toán vị trí của phần giữa của đuôi, sau đó đuôi tinh trùng sẽ bị đè xuống đáy đĩa.
 
Bước tiếp theo là xác định vị trí thích hợp trên noãn để tiến hành vi tiêm. Kỹ thuật ICSI áp điện (piezoelectric ICSI) sử dụng các xung cơ học để tạo ra các rung động cho phép một micropipette có đầu phẳng thâm nhập vào noãn. Kỹ thuật đưa ra nhiều hứa hẹn trong việc tự động hóa ICSI.
Ngoài piezo-ICSI, các hệ thống khác đã được đề xuất để tự động hóa ICSI. Vào năm 2011, một hệ thống ICSI robot tự động với sự tham gia tối thiểu của con người. Một thiết bị được phát triển để giữ các noãn ở một vị trí cố định. Người điều khiển có thể chọn tinh trùng bằng cách dùng chuột bấm vào màn hình máy tính. Hệ thống đã theo dõi sự di chuyển của tinh trùng bằng cách sử dụng một thuật toán theo dõi trực quan có thể xác định vị trí vùng đuôi, sau đó đuôi được cố định bằng cách chà xuống đĩa. Tinh trùng sau đó được hút và đưa đến vị trí thích hợp trên noãn để tiêm. Sự thâm nhập của kim ICSI vào noãn đã được tính toán dựa theo bán kính ZP noãn.
 
Kết luận
Vẫn còn một chặng đường dài trước khi quy trình ART có thể được tự động hóa trong một thiết bị duy nhất. Hiện tại, các thiết bị riêng biệt đã được phát triển và một số ít được thương mại hóa. Cho đến nay, các nghiên cứu quy mô nhất, rõ ràng nhất đều được thực hiện trên tinh trùng, mặc dù hầu hết các thiết bị để chọn lọc tinh trùng đã được thử nghiệm rộng rãi, nhưng vẫn chưa thể sử dụng chúng cho thực tế lâm sàng. Tuy nhiên, các hệ thống tự động có tiềm năng giúp làm giảm không gian trong phòng thí nghiệm nam khoa và giảm nguy cơ mắc lỗi của con người khi xử lý các mẫu tinh trùng.
 
Tính ưu việt của microfluidics trong việc chọn lọc tinh trùng so với các quy trình thủ công tiêu chuẩn vẫn chưa được chứng minh bằng các thử nghiệm lâm sàng ngẫu nhiên mạnh mẽ. Hơn nữa, microfluidics và các phương pháp tiếp cận khác vẫn còn rất tốn kém vì vật liệu sử dụng đắt đỏ, yêu cầu về độ vô trùng cao và thời gian cần thiết để chế tạo thiết bị.
 
Đối với hầu hết các mẫu tinh dịch bất thường thì các phương pháp thủ công đều đã được tiêu chuẩn hóa tốt, dễ thực hiện và cho kết quả rất tốt. Mặt khác việc lọc rửa và xác định tinh trùng từ mô tinh hoàn rất tốn thời gian và đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và nhân viên có tay nghề cao, những người mà có khả năng xác định được tinh trùng có hình dạng bình thường và có khả năng thụ tinh với noãn cao nhất.
 
Tài liệu tham khảo:
Valentina Casciani,Daniela Galliano, Jason M. Franasiak, Giulia Marian and Marcos Meseguer. Are we approaching automated assisted reproductive technology? Sperm analysis, oocytemanipulation, and insemination.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 phân tích tinh trùng, thao tác noãn và thụ tinh