Hiệu quả của Kỹ thuật Piezo-ICSI trong hỗ trợ sinh sản

Kể từ trường hợp mang thai thành công đầu tiên nhờ kỹ thuật tiêm tinh trùng vào bào tương noãn (intracytoplasmic sperm injection – ICSI) được báo cáo vào năm 1992, ICSI đã trở thành một kỹ thuật thiết yếu trong hỗ trợ sinh sản (assisted reproductive technology – ART) [1]. Trong kỹ thuật ICSI thông thường, kim vi thao tác có đầu nhọn được sử dụng để xuyên qua màng trong suốt và màng bào tương của noãn. Sau đó, một lượng nhỏ bào tương thường được hút vào trong kim để tạo sự phá vỡ màng bào tương trước khi tiêm tinh trùng. Tuy nhiên, thao tác này có thể gây tổn thương cơ học cho noãn.

Nhằm khắc phục những hạn chế hiện có của kỹ thuật ICSI, Kimura và Yanagimachi (1995) đã phát triển kỹ thuật Piezo-ICSI bằng cách kết hợp bộ truyền động áp điện (piezo drive), cột thủy ngân và kim vi thao tác đầu phẳng [2]. Hệ thống này cho phép phá vỡ màng bào tương một cách bán tự động thông qua các xung cơ học có kiểm soát mà không cần hút bào tương vào trong kim từ đó hạn chế thao tác hút bào tương trong quá trình xuyên màng có thể làm giảm tổn thương đối với noãn. Những bằng chứng hiện có cho thấy Piezo-ICSI là một cải tiến đầy hứa hẹn, có khả năng nâng cao hiệu quả của kỹ thuật ICSI, từ đó cải thiện kết quả lâm sàng trong điều trị hỗ trợ sinh sản. Bài tổng quan này sẽ trình bày nguyên lý hoạt động và những bằng chứng hiện có về kỹ thuật Piezo-ICSI trong hỗ trợ sinh sản.

Piezo-ICSI sử dụng kim vi thao tác đầu phẳng được điều khiển bằng các xung áp điện, cho phép xuyên qua màng bào tương một cách bán tự động mà không cần tạo lực hút bào tương. Cơ chế xuyên màng nhẹ nhàng hơn của Piezo-ICSI giúp tránh thao tác hút bào tương, một yếu tố được cho là gây stress lên màng bào tương noãn và có thể làm dịch chuyển thoi phân bào trong ICSI thông thường [3].

Nguyên lý hoạt động của Piezo-ICSI dựa trên hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect), đây là hiện tượng một số vật liệu thay đổi kich thước rất nhỏ khi có điện áp tác động. Sự co giãn nhanh này tạo ra các xung cơ học có biên độ nhỏ và độ chính xác cao. Các xung này tạo lực đẩy theo phương trục, giúp kim tiêm đầu phẳng xuyên qua màng trong suốt và màng bào tương một cách chính xác, nhanh chóng và với mức biến dạng tối thiểu của noãn.

Hiện nay, hai thiết kế bộ truyền động áp điện đã được ứng dụng trong Piezo-ICSI gồm hệ thống chuyển động tịnh tiến qua lại (linear reciprocating) và hệ thống chuyển động quay một phần (partially rotating). Cả hai đều cho phép kim tiêm xuyên qua noãn với độ chính xác cao và hạn chế tổn thương cơ học.

Bên cạnh đó, các thuật toán điều khiển thích nghi (adaptive control) cũng đã được phát triển nhằm khắc phục tính phi tuyến và những biến thiên trong hoạt động của bộ truyền động áp điện, giúp duy trì sự ổn định và độ chính xác của quá trình vi thao tác. Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của Piezo-ICSI là dao động ngang (lateral oscillation) của đầu kim trong quá trình phát xung áp điện.

Những cải tiến về mặt kỹ thuật thực hiện của Piezo-ICSI

• Thay thế thuỷ ngân

Ediz và Olgaç (2004) nhận thấy các chuỗi xung áp điện không chỉ tạo chuyển động theo phương trục mà còn gây ra dao động ngang đáng kể của đầu kim, có thể ảnh hưởng đến cơ chế xuyên màng và làm tăng nguy cơ tổn thương noãn [4]. Trong các hệ thống Piezo-ICSI thế hệ đầu, một cột thủy ngân được đặt bên trong kim tiêm để hấp thu và làm giảm các dao động ngang này thông qua sự thay đổi áp suất sinh ra khi kim chuyển động đột ngột theo phương trục [2]. Tuy nhiên, do những lo ngại về độc tính của thủy ngân, các thế hệ thiết bị sau đã cải tiến cơ chế truyền động. Theo đó, Huang và cộng sự (1996) đã phát triển hệ thống Piezo-ICSI mới với thiết kế tập trung năng lượng dao động theo phương trục của kim tiêm, nhờ đó làm giảm đáng kể dao động ngang ngay cả khi không sử dụng thủy ngân [5, 6]. Các hệ thống hiện đại đã thay thế thủy ngân bằng các chất lỏng fluorocarbon như Fluorinert, giúp duy trì hiệu quả truyền xung áp điện đồng thời cải thiện tính an toàn trong ứng dụng lâm sàng.

• Cải tiến kim vi thao tác và vị trí tiêm

Bên cạnh đó, sự phát triển của các loại kim tiêm có thành siêu mỏng (ultrathin-walled pipettes), với độ dày thành khoảng 0,625 µm để tiếp tục cải thiện hiệu quả của kỹ thuật, với một số nghiên cứu ghi nhận tỷ lệ sống của noãn đạt 99%, tỷ lệ thụ tinh 89% và tỷ lệ trẻ sinh sống 25% trong nhóm so sánh [7].

Vị trí tiêm cũng được xem là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả của Piezo-ICSI. Kỹ thuật đặt thể cực ở vị trí 2 hoặc 4 giờ (para-polar body) thay vì vị trí 6 hoặc 12 giờ như truyền thống trên mô hình noãn bò. Ví trí này giúp lựa chọn vùng có khoang quanh noãn rộng nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xuyên màng, từ đó giảm sự biến dạng của màng bào tương và hạn chế dòng ion Ca²⁺ thứ phát vào trong noãn sau thao tác. Kết quả cho thấy vị trí 2 hoặc 4 giờ của thể cực giúp cải thiện tỷ lệ sống của noãn trên mô hình bò [8]. 

• Tự động hóa và tích hợp robot trong Piezo-ICSI

Nhờ khả năng tạo các xung cơ học có độ chính xác và tính lặp lại cao, Piezo-ICSI đang trở thành một thành phần quan trọng trong các hệ thống ICSI tự động và robot hỗ trợ. Việc kết hợp công nghệ áp điện với thị giác máy tính (computer vision), trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence – AI) và điều khiển robot được kỳ vọng sẽ giảm sự phụ thuộc vào kỹ năng của chuyên viên phôi học, đồng thời nâng cao tính chuẩn hóa và độ ổn định của quy trình ICSI. Một trong những hệ thống tiêu biểu là ICSIA robot, tích hợp bộ truyền động áp điện được điều khiển bằng thị giác máy tính để tự động thực hiện quá trình xuyên màng và tiêm tinh trùng [9]. Trong một nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng của Mendizabal và cộng sự (2023) về hệ thống AI có khả năng tự động thực hiện bước phá vỡ màng bào tương bằng Piezo-ICSI, đạt tỷ lệ thụ tinh 81% và tỷ lệ hình thành phôi nang 65%, tương đương với kết quả của ICSI thực hiện thủ công bởi các chuyên viên phôi học giàu kinh nghiệm [9].

Ngoài tự động hóa quá trình tiêm tinh trùng, công nghệ áp điện còn được ứng dụng trong bước bất động tinh trùng. Các hệ thống Piezo hỗ trợ bất động tinh trùng sử dụng các mô-đun rung trực giao để tạo dao động vi mô có kiểm soát theo cả phương dọc và phương ngang của kim vi thao tác. Các dao động này giúp phá vỡ màng tinh trùng một cách hiệu quả, tạo điều kiện giải phóng các yếu tố hoạt hóa noãn và góp phần nâng cao hiệu quả của quá trình ICSI. Sự kết hợp giữa Piezo-ICSI với robot, trí tuệ nhân tạo và các thuật toán điều khiển tiên tiến được xem là một trong những hướng phát triển quan trọng của hỗ trợ sinh sản hiện đại. Trong tương lai, các công nghệ này có thể góp phần chuẩn hóa quy trình ICSI, giảm sự phụ thuộc vào tay nghề của người thực hiện và cải thiện tính nhất quán của kết quả điều trị giữa các trung tâm hỗ trợ sinh sản.

Mặc dù nhiều nghiên cứu cho thấy Piezo-ICSI có khả năng cải thiện tỷ lệ sống của noãn và tỷ lệ thụ tinh so với ICSI thông thường, chất lượng của các bằng chứng hiện nay vẫn còn không đồng nhất.

Nghiên cứu hồi cứu quy mô lớn gồm 65.033 noãn trưởng thành từ 15.687 chu kỳ điều trị, đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về việc Piezo-ICSI làm giảm tỷ lệ thoái hóa noãn và cải thiện tỷ lệ thụ tinh [10]. Một số nghiên cứu khác cũng cho thấy hiệu quả tốt của Piezo-ICSI so với phương pháp ICSI thông thường [11], [12], [13].

Gần đây, 1 thử nghiệm ngẫu nhiên có đối chứng quy mô lớn nhất về chủ đề này hiện nay, với khoảng 1000 chu kỳ điều trị lại ghi nhận tỷ lệ thụ tinh thấp hơn ở nhóm Piezo-ICSI so với ICSI thông thường [14]. Các tác giả cho rằng kết quả này có thể phản ánh giai đoạn đầu triển khai kỹ thuật, khi các chuyên viên phôi học vẫn đang trong quá trình làm quen và tích lũy kinh nghiệm với hệ thống Piezo-ICSI. Điều này cho thấy hiệu quả của kỹ thuật có thể chịu ảnh hưởng đáng kể bởi đường cong học tập (learning curve) trong giai đoạn triển khai ban đầu. Tuy nhiên, khi kỹ thuật đã được triển khai ổn định và quy trình thao tác được chuẩn hóa, lợi thế của Piezo-ICSI dường như trở nên rõ ràng hơn. Theo hồi cứu của H Watanabe và cộng sự (2024) phân tích hồi cứu trên 15.687 chu kỳ điều trị. Kết quả cho thấy các chuyên viên ít kinh nghiệm có thể đạt tỷ lệ thoái hóa và tỷ lệ thụ tinh tương đương với những chuyên viên giàu kinh nghiệm, qua đó góp phần chuẩn hóa chất lượng thao tác giữa các phòng xét nghiệm hỗ trợ sinh sản [10].

Có thể thấy mặc dù những cải thiện về tỷ lệ sống của noãn và tỷ lệ thụ tinh đã được ghi nhận khá nhất quán, vẫn chưa có đủ bằng chứng để khẳng định các lợi ích này sẽ chuyển thành cải thiện rõ rệt về kết quả IVF. Hơn nữa, phần lớn các bằng chứng hiện nay vẫn đến từ các nghiên cứu hồi cứu, trong khi số lượng thử nghiệm ngẫu nhiên có đối chứng còn hạn chế do cỡ mẫu nhỏ hoặc thiết kế đơn trung tâm. Về quá trình vận hành, kỹ thuật này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi ngoài Nhật Bản do yêu cầu đầu tư thêm thiết bị, thời gian thao tác dài hơn và nhu cầu đào tạo chuyên biệt.

Những bằng chứng hiện có cho thấy Piezo-ICSI là một cải tiến đầy hứa hẹn, có khả năng nâng cao hiệu quả của kỹ thuật ICSI thông qua việc giảm tổn thương cơ học lên noãn. Trong tương lai, các thử nghiệm ngẫu nhiên đa trung tâm với cỡ mẫu lớn, sử dụng các tiêu chí đánh giá có ý nghĩa lâm sàng, đặc biệt là tỷ lệ trẻ sinh sống tích lũy sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của Piezo-ICSI trong thực hành hỗ trợ sinh sản. Với những ưu điểm về mặt cơ học, khả năng chuẩn hóa quy trình và tiềm năng tích hợp với các hệ thống tự động hóa, Piezo-ICSI đang được xem là một hướng phát triển triển vọng nhằm tối ưu hóa kỹ thuật ICSI và nâng cao hiệu quả của các chu kỳ ART trong tương lai.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.         Palermo, G., et al., Pregnancies after intracytoplasmic injection of single spermatozoon into an oocyte. Lancet, 1992. 340(8810): p. 17-8.

2.         Kimura, Y. and R. Yanagimachi, Intracytoplasmic sperm injection in the mouse. Biol Reprod, 1995. 52(4): p. 709-20.

3.         Hiraoka, K., et al., Piezo-ICSI for Human Oocytes. J Vis Exp, 2021(170).

4.         Ediz, K. and N. Olgac, Microdynamics of the piezo-driven pipettes in ICSI. IEEE Trans Biomed Eng, 2004. 51(7): p. 1262-8.

5.         Huang, H., J. Mills, and D. Sun, A new piezo-driven ultrasonic cell microinjection system. 2010. 18-23.

6.         Huang, H., et al., A universal piezo-driven ultrasonic cell microinjection system. Biomedical microdevices, 2011. 13: p. 743-52.

7.         Hiraoka, K. and S. Kitamura, Clinical efficiency of Piezo-ICSI using micropipettes with a wall thickness of 0.625 μm. J Assist Reprod Genet, 2015. 32(12): p. 1827-33.

8.         Ashibe, S., et al., Sperm Injection at the Para-Polar Body Site in Piezo-Intracytoplasmic Sperm Injection Improves Subsequent Early Development of Bovine Embryos. Reprod Med Biol, 2025. 24(1): p. e12660.

9.         Costa-Borges, N., et al., First babies conceived with Automated Intracytoplasmic Sperm Injection. Reprod Biomed Online, 2023. 47(3): p. 103237.

10.       Watanabe, H. and K. Nakagawa, O-184 Piezo-ICSI reduces oocyte degeneration, improves ICSI success rates and has shown less dependence on the experience level of embryologists: cumulative data with 65,033 MII oocytes. Human Reproduction, 2024. 39(Supplement_1).

11.       Lim, C.K., et al., P-196 PIEZO-intracytoplasmic sperm injection (P-ICSI) can improve the clinical outcomes of ICSI. Human Reproduction, 2023. 38(Supplement_1).

12.       Choi, W., et al., L26/P-198 PIEZO-assisted intracytoplasmic sperm injection(ICSI) improves developmental potential and clinical outcomes of vitrified-warmed human oocytes. Human Reproduction, 2026. 41(Supplement_1).

13.       Lim, C.K., et al., Comparison of the clinical outcomes between conventional intracytoplasmic sperm injection (ICSI) and PIEZO-ICSI in women undergoing the first cycle of in-vitro fertilization. PLoS One, 2025. 20(8): p. e0330951.

14.       Koyama, N., et al., P-167 comparison of laboratory and clinical outcomes for piezo-ICSI and conventional-ICSI over 1,000 cycles in an RCT. Human Reproduction, 2025. 40(Supplement_1).