Tách noãn bằng phương pháp vi dòng chảy

CNSH. Khổng Tiết Mây Như, CNSH. Nguyễn Thị Trang, CN. Nguyễn Thị Minh Anh – IVFQA

I. Giới thiệu

Hiện tại, việc tách noãn được thực hiện thủ công tại các trung tâm hỗ trợ sinh sản trên toàn cầu. Người thực hiện thông qua kính hiển vi và thao tác trên tế bào noãn bằng cách sử dụng pipette điều khiển bằng miệng hoặc điều khiển bằng tay. Tách noãn là một công đoạn quan trọng để chuẩn bị noãn trước khi kết hợp với tinh trùng. Quy trình bao gồm hai bước, sử dụng enzyme hyaluronidase để làm suy yếu liên kết giữa các tế bào trong khối phức hợp noãn (cumulus oocyte complexes – COCs); sau đó, dùng lực cơ học bằng việc sử dụng pipette với đường kính khác nhau để loại bỏ các tế bào cumulus xung quanh noãn (1). Tuy nhiên, vì hyaluronidase có độc tính tiềm ẩn mà việc kiểm soát thời gian tối đa noãn trong enzyme cho phép chỉ khoảng 40 giây khi thao tác thủ công là rất khó. Đặc biệt, khi số lượng noãn nhiều sẽ khó nhận biết và thao tác với các tế bào noãn trong quá trình hút và rửa bằng pipette. Hơn nữa, tách noãn thủ công tốn nhiều thời gian và công sức, hiệu quả tách khác nhau đáng kể giữa những người thực hiện. Vì vậy, công nghệ vi dòng chảy mô phỏng đường sinh lý tự nhiên được ứng dụng trong quy trình tách noãn và phát triển dần qua nhiều năm. Đầu tiên là Zeringue và cộng sự (2001-2005) đã đặt nền móng thiết kế kênh vi lưu kín sử dụng áp suất đẩy noãn qua khe hẹp để bóc tách tế bào, nhưng hệ thống này vẫn cần điều khiển thủ công và chỉ xử lý được từng mẫu một (2). Đến năm 2018, Weng và cộng sự phát triển chip với các kênh co thắt có bề mặt răng cưa (jagged-surface), tạo ra hơn 100 chu kỳ giãn nở - co thắt giúp tách noãn chuột hiệu quả hơn (3). Sau đó 3 năm, nhóm nghiên cứu tại Cornell giới thiệu về chip siêu âm (ultrasonic) bóc tách tế bào cumulus khỏi noãn mà không cần tiếp xúc vật lý (4). Cùng năm đó, trí thông minh nhân tạo (Artificial intelligence – AI) đang ứng dụng ở các ngành khác cũng được đưa vào hệ thống tự động hóa tách noãn bằng Robot (1). Gần đây, các nghiên cứu mới nhất từ Overture Life đã giới thiệu về chip buồng hở hoặc sử dụng mảng trụ đa giác để tách noãn hoàn toàn không dùng enzyme, giảm thiểu tổn thương đến noãn (5). Có thể thấy, việc sử dụng kênh vi lỏng được kiểm soát chính xác không gian và thời gian, xây dựng bằng vật liệu sinh học với kích thước kênh theo cùng thứ tự với đường kính noãn cho phép kiểm soát chính xác môi trường chất lỏng, các dòng chảy được điều khiển áp suất để tác động lên noãn, qua đó loại bỏ các tế bào xung quanh noãn (6;7). Do đó, các kết quả thử nghiệm trên mô hình động vật từ những loại chip này cũng cho kết quả khả quan, đảm bảo được tính toàn vẹn cấu trúc màng của noãn sau tách.

II. Nguyên lý hoạt động

Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm từ năm 2001 đến nay, các hệ thống tách noãn vi dòng chảy đã được phân loại thành 6 nhóm công nghệ chính. Mỗi loại đều được thiết kế để kiểm soát chính xác môi trường chất lỏng cục bộ và điều khiển áp suất tác động lên COCs thông qua các nguyên lý hoạt động khác nhau.

Năm 2018 là chip bề mặt răng cưa (jagged) ra đời, sử dụng áp suất thủy tĩnh để đẩy COCs di chuyển qua các kênh vi lưu có chiều rộng giảm dần (240µm đến 90µm). Tại đoạn cuối, bề mặt kênh được thiết kế các bánh răng răng cưa hướng ngược dòng chảy nhằm tạo lực cắt cơ học tối ưu, giúp loại bỏ các tế bào cumulus và corona một cách hiệu quả mà không gây tắc nghẽn dòng chảy (3;8).

Năm 2021, để tách noãn không tiếp xúc mà các tác giả đã giới thiệu về chip siêu âm (ultrasonic acoustic streaming), hoạt động dựa trên sóng âm bề mặt tạo ra từ tấm LiNbO3 dưới sự kết hợp của 3 cơ chế: dòng chảy âm học tạo vòng xoáy cắt đứt mạng lưới acid hyaluronic, lực bức xạ âm tạo ra sự chuyển động không đồng bộ giữa noãn và tế bào xung quanh để chúng tách rời, và các dao động vi mô tích lũy theo thời gian làm yếu liên kết tại màng trong suốt (4).

Năm 2022, hệ thống robotic tách noãn tự động tích hợp thị giác máy tính để nhận diện noãn và điều khiển cánh tay robot được sáng chế, cụ thể là robot tự động xác định đáy đĩa, căn chỉnh pipette ở khoảng cách an toàn (25µm) và thực hiện các chu kỳ hút-đẩy chuẩn hóa để bóc tách tế bào cumulus dựa trên mô hình động lực học của noãn, giúp loại bỏ hoàn toàn sai lệch do thao tác thủ công (1).

Năm 2025, ba loại chip cải tiến lần lượt được chế tạo. Chip cột vi cấu trúc đa giác (multi-quadrilateral pillar array) tận dụng các mảng trụ hình lăng trụ tứ giác được sắp xếp lệch hàng trong kênh vi lưu để tạo lộ trình di chuyển zigzag cho noãn (9). Khi COC đi qua các vùng có kích thước khe hẹp giảm dần (240µm đến 120µm), các cạnh sắc của cấu trúc đa giác sẽ tạo ra lực ma sát và lực cắt vật lý đa điểm, giúp bóc tách lớp tế bào vây quanh một cách nhanh chóng. Trong khi đó, chip vi rung động (vibration-induced flow – VIF) sử dụng các rung động tròn định kỳ để tạo ra dòng xoáy vi mô quanh hệ thống cột (micropillars) mà không cần máy bơm (10). Các dòng xoáy này chồng lấp tạo thành một dòng chảy toàn diện dẫn hướng cho COCs xoay vòng và va chạm nhẹ vào cột, lực ly tâm sẽ đẩy các tế bào cumulus nhỏ ra giếng thu hình khuyên (annulus well), còn noãn sạch sẽ được giữ lại ở buồng trung tâm. Gần đây nhất là chip vi lưu hút – đẩy (push-pull), thiết kế buồng hở với 16 giếng độc lập, hoạt động theo nguyên lý chu kỳ áp suất đảo chiều (5). Noãn được bơm đẩy vào một khoang hẹp (vùng tách) có cấu trúc hình học đặc thù để bóc tách một phần tế bào, sau đó dòng chảy đảo chiều kéo noãn quay lại giếng; việc lặp đi lặp lại liên tục hai pha này giúp bóc dần từng lớp tế bào cumulus cho đến khi noãn sạch hoàn toàn.

III. Hiệu quả sau tách noãn  

Hiệu quả của kỹ thuật tách noãn bằng công nghệ vi dòng chảy được đánh giá đa chiều thông qua khả năng làm sạch tế bào cumulus, tỉ lệ thu hồi noãn, khả năng sống sau tách. Các kết quả thực nghiệm từ mô hình chuột, heo, bò và dữ liệu bước đầu trên noãn người với cỡ mẫu siêu nhỏ (11;12) cho thấy tính khả thi của việc chuẩn hóa quy trình chuẩn bị giao tử. Đặc biệt tỉ lệ thu hồi và làm sạch của các chip hầu hết đều đạt mức >90% (1;3;5;9;10). Các chip sau này được chế tạo đều hướng đến mục tiêu không sử dụng enzyme hyaluronidase và tổng thời gian tách noãn cũng được rút ngắn đáng kể.

Bảng tóm tắt hiệu quả hoạt động của các loại chip

IV. Cơ hội và thách thức  

Nhìn chung có thể thấy các thiết bị vi dòng chảy được thiết kế cho noãn có kích thước lớn như noãn bò hoặc noãn người. Kết quả nghiên cứu dài hạn cung cấp dữ liệu quan trọng về độ an toàn và hiệu quả cho các ứng dụng lâm sàng. Theo các thống kê tổng quan cũng nhận định rằng công nghệ vi dòng chảy đã có thể sẵn sàng sử dụng trong điều trị hỗ trợ sinh sản vì giảm áp lực cơ học do thao tác pipette, rút ngắn thời gian tiếp xúc với môi trường hyaluronidase và giảm sự không đồng nhất giữa những người thực hiện. Bên cạnh đó, các chip tách noãn dần cải tiến và không dùng enzyme ban đầu sẽ giúp giảm chi phí môi trường, giảm tổn thương noãn do tách như vỡ màng trong suốt, mất noãn, thoái hóa noãn (14). Việc kết hợp robot và đánh giá AI cũng mở ra nhiều cơ hội tiếp cận kỹ thuật hiện đại và tăng sự thuận tiện sắp xếp công việc trong labo. Tuy nhiên, thiết bị này đến nay vẫn còn tồn tại nhiều bất cập vì chip được sản xuất phải theo tiêu chuẩn sạch mà chúng đang được chế tạo chủ yếu từ các nhóm nghiên cứu trong trường đại học và chưa được thương mại hóa. Hơn nữa, để đảm bảo không làm tổn thương màng tế bào noãn thì cần phải tối ưu tốc độ dòng chảy và phải có loại chip phù hợp kích thước noãn khác nhau. Vì thiết kế phức tạp nên sẽ rất khó khăn trong đào tạo vận hành ban đầu (6;7).

V. Kết luận

Tóm lại, chip vi dòng chảy dường như mang lại tính khả thi trong ứng dụng lâm sàng vì không đòi hỏi kỹ năng cao hay nhiều kinh nghiệm, sử dụng ít môi trường nuôi cấy so với phương pháp truyền thống; từ đó, giúp giảm chi phí trong điều trị. Vì vậy, phương pháp tiếp cận hiện đại này cần được đẩy mạnh nghiên cứu với các cỡ mẫu lớn hơn và phân tích sâu hơn về sự thay đổi cấu trúc tế bào noãn nếu có ở phương pháp vi dòng chảy. Các tài liệu tổng quan đều gợi ý có thể cân nhắc đưa vào thử nghiệm so sánh tại các phòng labo hỗ trợ sinh sản.

Tài liệu tham khảo

1. Zhai R, Shan G, Dai C, và cs., Automated denudation of oocytes; Micromachines; 2022; 13(8); 1301.
2. Zeringue H, Beebe D, Wheeler MA.; Microfluidic method for removal of the zona pellucida from mammalian embryos; Lab Chip; 2005; 5; 108–110.
3. Weng L, Lee GY, Liu J, và cs.; On-chip oocyte denudation from cumulus-oocyte complexes for assisted reproductive therapy; Lab Chip; 2018; 18(24); 3892-902.
4. Mokhtare A, Xie P, Davaji B, và cs.; Contact-free oocyte denudation in a chip-scale ultrasonic microfluidic device; Hum Reprod; 2021; 36(Suppl 1); i53–i54.
5. Guerrero SJ, Fernandez  BG, Lamas TI, và cs.; A novel microfluidics-based device achieves automatic cumulus cells removal and optimal embryo development in cattle; Anim Reprod Sci; 2025; 279; 107953.
6. Wu T, Wu Y, Yan J, và cs.; Microfluidic chip as a promising evaluation method in assisted reproduction: A systematic review; Bioeng Transl Med; 2024; 9:e10625.
7. Wu T, Yan J, Nie K, và cs.; Microfluidic chips in female reproduction: a systematic review of status, advances, and challenges; Theranostics; 2024; 14(11); 4352–4374.
8. Dessouky AH, El-Hussieny H, El-Sherry TM, và cs.; A study on the effect of the number of expansion units in a microfluidic chip on hyaluronidase-free oocyte denudation in mammals; J Electr Bioimp; 2025; 16; 23–34.
9. Favakeh A, Mokhtare A, Zhang H, và cs.; On-chip oocyte cumulus removal using vibration-induced flow; Lab Chip; 2025; 25; 5551–5562.
10. Hang NT, Trung NH, Anh NTN, và cs.; Experimental evaluation of multi-quadrilateral-pillar array microfluidic platform for oocyte denudation utilizing a deep-learning approach; IEEE; 2025.
11. Safaefar F, Karamdel J, Veladi H, và cs; Design and fabrication of a microfluidic chip for oocyte denudation; Tabriz J Electr Eng; 2022; 52(3); 101.
12. Guerrero SJ, Sales FJ, Cabello Y, và cs., Automated oocyte and zygote denudation using a novel microfluidic device; Fertil Steril; 2020;114(3 Suppl); e149.
13. Dessouky AH, El-Hussieny H, El-Sherry TM, và cs.; Development of a low-cost microfluidic chip for hyaluronidase-free oocyte denudation in mammals; Biotechnol Notes; 2025; 6; 133–142.
14. Safaefar F, Karamdel J, Veladi H, và cs.; Design and implementation of a lab-on-a-chip for assisted reproductive technologies; BioImpacts; 2024; 14(4); 28902.