Ths. Trần Hà Lan Thanh_IVFMD Phú Nhuận

Ti thể là một bào quan nắm giữ nhiều chức năng quan trọng trong tất cả các loại tế bào. Do đó, những bất thường của ti thể như rối loạn chức năng, số lượng ti thể tăng cao, đột biến mtDNA, hàm lượng mtDNA cao… có thể ảnh hưởng đến chất lượng noãn, phôi và kết quả điều trị của thụ tinh trong ống nghiệm (TTTON). Nội dung của bài tổng quan sau sẽ trình bày về ti thể trong noãn phôi, các dạng bất thường ti thể và ảnh hưởng lên kết quả điều trị TTTON, cũng như tiềm năng tiên lượng của các dấu ấn sinh học từ ti thể phôi lên kết quả điều trị trong TTTON.
 
1. Ti thể ở noãn – phôi
Ti thể là bào quan nắm giữ nhiều chức năng vai trò quan trọng như tạo năng lượng ATP (adenosine tri-phosphate) cho tất cả hoạt động tế bào, điều hòa quá trình chết theo chương trình (apoptosis) của tế bào, kiểm soát hoạt động canxi nội bào, nơi diễn ra các phản ứng sinh hoá,…
 
Ở noãn, tùy từng giai đoạn phát triển mà số lượng và hình dạng của ti thể có sự thay đổi khác biệt. Về số lượng, có khoảng 10-100 phân tử DNA ti thể (mtDNA) được hình thành ở giai đoạn tế bào mầm nguyên thuỷ (Primordial Germ Cells - PGCs) và tiếp tục tăng số lượng đến 10.000 trong nang noãn sơ cấp. Ở noãn trưởng thành trong kỳ trung gian giảm phân II (metaphase II - MII), số bản sao mtDNA đạt từ 1.10⁴ – 10⁷ [1]. Số bản sao này được duy trì đến giai đoạn hợp tử, sau đó đạt khoảng 100 bản sao/phôi bào ở phôi nang. Về mặt hình dạng, ti thể ở dạng tròn ít mào trong noãn sơ cấp đến dạng tròn với màng trong gấp khúc nhiều mào trong noãn MII. Ti thể dạng tròn ít mào không sản xuất được năng lượng ATP nên lúc này noãn sẽ sử dụng ATP từ các tế bào hạt của nang noãn cung cấp cho noãn phát triển. Khi ti thể có nhiều mào biệt hoá hơn sẽ sản xuất nhiều ATP, do mào ti thể là nơi chứa nhiều enzyme hô hấp diễn ra chuỗi truyền điện tử. Trong quá trình noãn trưởng thành, ti thể sẽ phân bố lại từ tập trung ở túi mầm ở noãn giai đoạn túi mầm (Germinal vesicle - GV) đến vùng thoi vô sắc, nhân ở noãn giai đoạn kỳ trung gian giảm phân I (metaphase I - MI) và noãn MII.
 
Nếu ở giai đoạn phát triển, noãn mang ti thể bất thường chức năng vẫn tăng trưởng, trưởng thành phóng noãn và thậm chí vẫn có thể thụ tinh. Do ở giai đoạn này, noãn sử dụng năng lượng ATP và pyruvate của các tế bào hạt bao quanh thông qua các cầu nối xuyên màng trong suốt (transzonal processes – TZP). Tuy nhiên, ti thể bất thường trong noãn sẽ làm quá trình sản xuất ATP bị lỗi, kéo theo sự phân ly NST bị lỗi, dẫn đến noãn bị lệch bội và kết quả tạo phôi lệch bội.
 
Ở hợp tử và phôi phân chia, ti thể ở dạng tròn nhiều mào chiếm chủ yếu (các ti thể bắt đầu dung hợp kéo dài nhưng số lượng ít hơn dạng tròn) và số lượng ti thể ít hơn trong phôi nang. Còn ở phôi nang tồn tại ti thể dạng dài nhiều mào (sản xuất nhiều ATP) là chủ yếu để đáp ứng nhu cầu hoạt động trao đổi chất và các quá trình sinh lý tế bào nhiều.
Trong quá trình phát triển, mtDNA trong noãn và phôi có thể gặp rất nhiều bất lợi ảnh hưởng đến chất lượng noãn, phôi do mtDNA ở dạng trần, không chứa trình tự intron nên dễ bị tác động bởi các gốc oxy tự do (Reactive Oxygen Species - ROS) do chuỗi truyền điện tử của ti thể sản sinh, dẫn đến mtDNA có nguy cơ bị đột biến cao hơn gấp 10-20 lần DNA trong nhân. Tuy nhiên, mtDNA lại không có cơ chế sửa sai hiệu quả như với DNA trong nhân.
 
2. Các dạng bất thường ti thể
Các dạng bất thường của ti thể như số lượng ti thể tăng cao bất thường, rối loạn chức năng ti thể, động học ti thể bất thường, hàm lượng mtDNA cao, đột biến mtDNA…
Rối loạn chức năng ti thể sẽ làm quá trình sản xuất ATP bị lỗi. Khi quá trình sản xuất ATP bị lỗi thì việc dự trữ năng lượng ATP bị suy giảm, đây là tín hiệu kích thích tăng bất sản số lượng ti thể, kéo theo tăng mtDNA và có thể tăng đột biến mtDNA [2].
 
Bất thường trong động học ti thể: ti thể là một bào quan có tính động học cao với khả năng dung hợp và phân tách để thay đổi kích thước, hình dạng và sự phân bố trong tế bào chất của ti thể nhằm mục đích phân phối năng lượng ATP. Các biến đổi trong động học ti thể có thể là nguyên nhân gây rối loạn chức năng ti thể và tế bào, dẫn đến lão hoá và các bệnh lý liên quan đến độ tuổi [3].
 
Rối loạn chức năng ti thể sẽ làm lão hóa buồng trứng, dẫn đến giảm chất lượng noãn và phôi [3]. Khi ti thể bị rối loạn chức năng thì quá trình sản xuất ATP bị khiếm khuyết, làm các quá trình sinh lý của tế bào diễn ra bị lỗi do thiếu ATP, trong đó có việc lắp ráp thoi vô sắc của noãn. Điều này tạo ra noãn bị lệch bội, có thể gây vô sinh và kéo theo phôi bị lệch bội khi điều trị TTTON.
 
3.   Tiềm năng tiên lượng từ ti thể của noãn đối với kết quả điều trị TTTON
Một số nghiên cứu đã báo cáo rằng, ti thể của noãn có thể tiên lượng kết quả điều trị TTTON. Theo nghiên cứu của Heng-kien Au và cộng sự (2005), 67% noãn không thụ tinh sẽ có số lượng ti thể thấp hơn so với noãn thụ tinh, 60% phôi ngừng phát triển có số lượng ti thể tập trung ở vùng nhân giảm. Như vậy, sự phân bố ti thể không đúng vị trí hoặc giảm số lượng ti thể ở noãn trưởng thành, dẫn đến thụ tinh kém và phôi chất lượng xấu [4]. Theo nghiên cứu Kofinas và cộng sự (2016), noãn non thất bại tái giảm phân sẽ chứa nhiều mtDNA bị đột biến. Đây là nghiên cứu đầu tiên chứng tỏ có mối tương quan giữa tỉ lệ mtDNA đột biến với khả năng trưởng thành noãn non người trong in vitro. Cần thêm các nghiên cứu về tỉ lệ mtNDA đột biến, cũng như số lượng bản sao mtDNA trong noãn có thể tiên lượng quá trình phát triển sau đó [5].
 
Hơn nữa, hàm lượng DNA ti thể tự do (cell-free mitochondria DNA cf-mtDNA) trong dịch nang có tương quan nghịch với khả năng tạo phôi nang, do đó cf-mtDNA có thể là dấu ấn sinh học đầy hứa hẹn đánh giá tiềm năng phát triển hoàn thiện của noãn [6].
Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu về tiềm năng tiên lượng của ti thể noãn trong điều trị TTTON vẫn còn hạn chế, trong tương lai cần thêm những nghiên cứu về vấn đề này.
  
4. Tiềm năng tiên lượng từ ti thể của phôi đối với kết quả điều trị TTTON
Hàm lượng mtDNA trong phôi chất lượng hình thái xấu, phôi lệch bội hoặc không làm tổ sẽ cao hơn hàm lượng mtDNA trong phôi tiềm năng tốt [7–9].
Đã có một số giả thuyết đã được đặt ra để lý giải cho kết quả bất thường trên, trong đó có giả thuyết phôi im lặng (phôi ít hoạt động trao đổi chất). Giả thuyết này cho rằng những phôi chất lượng xấu phải cần nhiều hoạt động chuyển hoá trao đổi chất nội bào để khắc phục sửa sai những khiếm khuyết tế bào, nên cần nhiều năng lượng ATP, do đó ti thể sẽ tăng sản số lượng quá mức và số lượng bản sao mtDNA tăng cao [10]. Nếu quá trình tổng hợp ATP tăng để đáp ứng nhu cầu của tế bào thì kéo theo việc gia tăng sản sinh ROS, làm gây tổn thương DNA và các thành phần tế bào khác, thậm chí gây chết tế bào. Tuy nhiên, nếu lượng ATP không đủ thì việc nhân đôi ti thể có thể bị lỗi, nên tạo ti thể mới khiếm khuyết.
 
Hơn nữa, sự tổng hợp ATP bị giảm là nguyên nhân gây đột biến mtDNA. Việc gia tăng hàm lượng mtDNA trong phôi tiền làm tổ là để đáp ứng với các đột biến mtDNA, mà mtDNA lại rất dễ bị đột biến. Sự biểu hiện gen của mtDNA thấp hơn ở những noãn bị thất bại thụ tinh và phôi ngừng phát triển, điều này có liên quan đến đột biến mtDNA. Hơn nữa, những phụ nữ lớn tuổi thường tích lũy nhiều ROS nên noãn chứa nhiều đột biến mtDNA. Mà mtDNA dễ đột biến gây rối loạn chức năng ti thể, nên việc sản xuất ATP giảm, dẫn đến chất lượng noãn và phôi giảm khi điều trị TTTON. Tuy nhiên, mối liên quan giữa đột biến mtDNA và gia tăng hàm lượng mtDNA với tỉ lệ làm tổ bị giảm vẫn chưa được sáng tỏ [2].
 
a. Ti thể của phôi ngày 3
Theo nghiên cứu hồi cứu của Bayram và cộng sự (2019), phôi ngày 3 với hàm lượng mtDNA thấp sẽ có số lượng tế bào cao hơn đáng kể (8,13 ± 1,59 tế bào so với 7,62 ± 1,5 tế bào ở phôi có hàm lượng mtDNA cao; p = 0,0013) và tốc độ phát triển đến giai đoạn 8 tế bào nhanh hơn đáng kể (tức là các thông số động học phôi giai đoạn sớm ngắn hơn đáng kể, p < 0,05). Hàm lượng mtDNA của phôi ngày 3 không khác biệt giữa phôi ngày 3 nguyên bội và lệch bội với số lượng như nhau tại thời điểm sinh thiết. Những phôi có thông số thời điểm bắt đầu hình thành khoang phôi sớm có tương quan đến hàm lượng mtDNA phôi ngày 3 thấp hơn và khả năng hình thành phôi nang nguyên bội cao hơn. Như vậy, hàm lượng mtDNA của phôi ngày 3 có tương quan đến số lượng tế bào và một số thông số động học phát triển của phôi [11].
 
mtDNA được phát hiện cùng với DNA nhân trong môi trường nuôi cấy của phôi ngày 3 đầu tiên năm 2013 bởi Stigliani và cộng sự [12]. Tỉ lệ hàm lượng mtDNA/DNA nhân trong môi trường nuôi cấy phôi ngày 3 tỉ lệ thuận với độ phân mảnh của phôi và tương quan nghịch với chất lượng phôi và có thể làm dấu ấn sinh học không xâm lấm tiên lượng phát triển lên phôi nang và làm tổ của phôi nang [12][13]. Theo một nghiên cứu tiến cứu mù đôi đa trung tâm của nhóm tác giả này, khi kết hợp tỉ lệ hàm lượng mtDNA/DNA nhân trong môi trường nuôi cấy phôi ngày 3 với hình thái phôi sẽ cải thiện hiệu quả tiên lượng khả năng phát triển lên phôi nang (độ nhạy là 95%, đặc hiệu 65%) khi so với chỉ hình thái phôi (độ nhạy là 92%, đặc hiệu 13%; p < 0,001) [14]. Ở nhóm bệnh nhân hội chứng buồng trứng đa nang, tỉ lệ hàm lượng mtDNA/DNA nhân trong môi trường nuôi cấy phôi ngày 3 có thể làm dấu ấn sinh học tiên lượng thai lâm sàng sau điều trị TTTON [15].
 
b. Ti thể của phôi nang
Hàm lượng mtDNA trong phôi nang có thể là một “dấu ấn sinh học” độc lập để dự đoán tiềm năng làm tổ của phôi nang [7][2]. Tuy nhiên, kết quả về sự ảnh hưởng của hàm lượng mtDNA với sự làm tổ vẫn còn nhiều tranh cãi.
 
Nghiên cứu của Fragouli và cộng sự (2015) cho thấy phôi ngày 3, ngày 5 từ những phụ nữ lớn tuổi có hàm lượng mtDNA cao hơn đáng kể (p= 0,003); cũng như phôi lệch bội hàm lượng mtDNA cao hơn đáng kể mà không phụ thuộc vào tuổi mẹ (p=0,025); hàm lượng mtDNA của những phôi nang nguyên bội làm tổ thấp hơn đáng kể so với phôi nguyên bội thất bại làm tổ (p = 0,007). Quan trọng hơn là nhóm nghiên cứu đã xây dựng ngưỡng giá trị của hàm lượng mtDNA tiên lượng phôi nang nguyên bội làm tổ. Như vậy, hàm lượng mtDNA có thể là một “dấu ấn sinh học” độc lập để dự đoán phôi nang nguyên bội làm tổ [7]. Hàm lượng mtDNA trong phôi nang ứng dụng trong tiên lượng lựa chọn phôi chuyển. Theo Diez Juan và cộng sự (2015), tiềm năng làm tổ kém của phôi ngày 3 và phôi ngày 5 nguyên bội sẽ gia tăng hàm lượng mtDNA; tuy nhiên lại cho kết quả hàm lượng mtDNA không khác biệt giữa những phụ nữ lớn tuổi và trẻ tuổi [8].
 
Theo nghiên cứu năm 2017, tỉ lệ phôi nang có hàm lượng mtDNA cao trong tế bào lớp lá nuôi (trophoblast - TE) là 5% (9/199). Ở nhóm phôi nang chất lượng hình thái tốt nguyên bội, tỉ lệ thai diễn tiến của nhóm phôi nang có hàm lượng mtDNA bình thường/ thấp cao hơn đáng kể khi so với phôi nang hàm lượng mtDNA cao (64% so với 0%; p < 0,001). Đây là nghiên cứu đầu tiên xác định mối tương quan giữa hàm lượng mtDNA trong tế bào TE và tỉ lệ thai diễn tiến của chuyển phôi nang [9]. Tuy nhiên, hàm lượng mtDNA trong tế bào TE bị ảnh hưởng bởi chỉ số khối cơ thể (BMI), nồng độ progesterone trong huyết thanh, phôi nang lệch bội và chất lượng hình thái TE. Cụ thể là, BMI tăng thì hàm lượng mtDNA trong tế bào TE tăng nhẹ (6%; p = 0,036) so với hàm lượng trung bình; nồng độ progesterone trong huyết thanh tăng sẽ làm giảm 26% (p <0,003) so với hàm lượng mtDNA trong tế bào TE trung bình; phôi nang lệch bội làm tăng cao so với hàm lượng trung bình (42%); chất lượng TE kém cũng làm tăng hàm lượng mtDNA [16].
 
Theo một nghiên cứu hồi cứu năm 2021, TE của phôi nang lệch bội chứa nhiều mtDNA hơn đáng kể so với phôi nang nguyên bội. Hàm lượng mtDNA trong TE của phôi nang ngày 5 cao hơn đáng kể so với nhóm phôi nang ngày 6/7. Chất lượng hình thái của TE cao hơn có liên quan đến hàm lượng mtDNA thấp hơn (p = 0,026), nhưng chất lượng ICM thì không có mối liên quan. Ở những phôi chuyển, tuổi phôi nang sinh thiết và hàm lượng mtDNA có liên quan đáng kể đến tỉ lệ làm tổ và trẻ sinh sống. Phôi nang nguyên bội ngày 5 có hàm lượng mtDNA thấp hơn sẽ có tỉ lệ làm tổ và trẻ sinh sống cao hơn [17]. Hơn nữa, hàm lượng mtDNA trong TE của phôi nang nguyên bội không có sự khác biệt giữa bệnh nhân có thai so với không có thai cũng như giữa bệnh nhân mang thai lâm sàng so với sẩy thai. Như vậy hàm lượng mtDNA trong TE không thể tiên lượng sẩy thai ở những phôi nang nguyên bội làm tổ [18]. Tuy nhiên, vẫn cần thêm các nghiên cứu để xác định mối liên hệ giữa hàm lượng mtDNA trong TE của phôi nang nguyên bội với tỉ lệ làm tổ, trẻ sinh sống hoặc tỉ lệ sẩy thai.
 
5. Kết luận
Ti thể là một bào quan nắm giữ nhiều chức năng quan trọng trong tế bào, nên bất thường ti thể sẽ ảnh hưởng xấu đến sự phát triển tồn tại của noãn và phôi tiền làm tổ. Hàm lượng mtDNA của phôi ngày 3 có tương quan đến số lượng tế bào và một số thông số động học phát triển của phôi và tiềm năng làm tổ. Hơn nữa, hàm lượng mtDNA trong môi trường nuôi cấy phôi ngày 3 đã mở ra hướng tiếp cận lựa chọn phôi ngày 3 không xâm lấn. Ở phôi nang thì hàm lượng mtDNA trong TE có thể là một “dấu ấn sinh học” độc lập để dự đoán tiềm năng làm tổ của phôi nang. Trong tương lai, vẫn cần thêm các nghiên cứu về ti thể thông qua hàm lượng mtDNA trong phôi tiền làm tổ nhằm cung cấp những bằng chứng đủ mạnh để áp dụng “dấu ấn sinh học” này trong đánh giá lựa chọn phôi khi TTTON.
 
6. Tài liệu tham khảo
[1]       Wilding M, Coppola G, Dale B, Di Matteo L. Mitochondria and human preimplantation embryo development. Reproduction 2009;137:619–24.
[2]       Wells D. Mitochondrial DNA quantity as a biomarker for blastocyst implantation potential. Fertil Steril. 2017;108:742–7.
[3]       Kasapoglu I, Seli E. Mitochondrial Dysfunction and Ovarian Aging. Endocrinology. 2020;161.
[4]       Au H-K, et al. Abnormal mitochondrial structure in human unfertilized oocytes and arrested embryos. Ann N Y Acad Sci .2005;1042:177–85.
[5]       Kofinas J, et al. Oocytes with impaired meiotic maturation contain an increased load of mutated mitochondrial DNA. Fertil Steril. 2016;106:e37–8.
[6]       Liu Y, et al. Cell-free mitochondrial DNA in human follicular fluid: A promising bio-marker of blastocyst developmental potential in women undergoing assisted reproductive technology. Reprod Biol Endocrinol.2019;17:1–9.
[7]       Fragouli E, et al. Altered Levels of Mitochondrial DNA Are Associated with Female Age, Aneuploidy, and Provide an Independent Measure of Embryonic Implantation Potential. PLoS Genet.2015;11:1–18.
[8]       Diez-juan A, et al. Mitochondrial DNA content as a viability score in human euploid embryos: less is better. Fertil Steril.2015:534–41.
[9]       Fragouli E, et al. Clinical implications of mitochondrial DNA quantification on pregnancy outcomes: A blinded prospective non-selection study. Hum Reprod.2017;32:2340–7.
[10]     Leese HJ. Quiet please, do not disturb: A hypothesis of embryo metabolism and viability. BioEssays 2002;24:845–9.
[11]     Bayram A, et al. Cleavage stage mitochondrial DNA is correlated with preimplantation human embryo development and ploidy status. J Assist Reprod Genet.2019;36:1847–54.
[12]     Stigliani S, et al. Mitochondrial DNA content in embryo culture medium is significantly associated with human embryo fragmentation. Hum Reprod.2013;28:2652–60.
[13]     Stigliani S, et al. Mitochondrial DNA in Day 3 embryo culture medium is a novel, non-invasive biomarker of blastocyst potential and implantation outcome. Mol Hum Reprod.2014;20:1238–46.
[14]     Stigliani S, et al. Non-invasive mitochondrial DNA quantification on day 3 predicts blastocyst development: a prospective, blinded, multi-centric study. Mol Hum Reprod.2019:1–11.
[15]     Sayed GA, et al. Mitochondrial DNA in Fresh versus Frozen Embryo Culture Media of Polycystic Ovarian Syndrome Patients Undergoing Invitro Fertilization: A Possible Predictive Marker of a Successful Pregnancy. Pharmgenomics Pers Med.2021:27–38.
[16]     Santos MJ, et al. Variables associated with mitochondrial copy number in human blastocysts: what can we learn from trophectoderm biopsies ? Fertil Steril.2018;109.
[17]     Wang J, et al. Trophectoderm Mitochondrial DNA Content Associated with Embryo Quality and Day-5 Euploid Blastocyst Transfer Outcomes. DNA Cell Biol.2021;40:643–51.
[18]     El-Damen A, et al. Does blastocyst mitochondrial DNA content affect miscarriage rate in patients  undergoing single euploid frozen embryo transfer? J Assist Reprod Genet.2021;38:595–604.

Từ khóa: Ti thể của noãn phôi và các ảnh hưởng đến kết quả điều trị thụ tinh trong ống nghiệm