Nội dung chính

Oxy là yếu tố thiết yếu đối với quá trình hô hấp tế bào và chuyển hóa năng lượng của phôi trước làm tổ. Ở giai đoạn phát triển sớm, phôi rất nhạy cảm với sự thay đổi nồng độ oxy do hệ thống chống oxy hóa nội bào chưa hoàn thiện. Trong cơ thể, giao tử và phôi phát triển trong môi trường có nồng độ oxy thấp khoảng 2 đến 8% tùy vị trí trong đường sinh dục nữ; trong khi các hệ thống nuôi cấy IVF trước đây thường sử dụng nồng độ oxy khí quyển ở mức 20–21%. Từ năm 1971, Steptoe và Edwards đã nuôi cấy thành công phôi nang người đầu tiên ở điều kiện 5% O₂. Hiện nay, nuôi cấy phôi ở 5% O₂ được áp dụng rộng rãi trong các labo IVF cho nuôi cấy phôi đến giai đoạn phôi nang nhằm cải thiện chất lượng phôi và hỗ trợ chiến lược chuyển đơn phôi (elective single embryo transfer – eSET). Trong khi đó, nồng độ oxy khí quyển 20–21% vẫn được sử dụng trong một số quy trình như nuôi trưởng thành noãn trong ống nghiệm (IVM). Bài tổng quan này tổng hợp các ảnh hưởng của nồng độ oxy đến chuyển hóa tế bào, chất lượng phôi, kết quả điều trị IVF và kết cục chu sinh.

Nồng độ oxy trong đường sinh dục nữ thấp hơn đáng kể so với nồng độ oxy khí quyển (20–21%). Trong dịch nang noãn, áp suất oxy được ghi nhận khoảng 54,3 mmHg, tương đương gần 7% O₂. Mức oxy tại ống dẫn trứng dao động từ 5–8,7% và giảm xuống khoảng 1,4–3,8% trong buồng tử cung ở phụ nữ. Sự giảm dần này phản ánh môi trường sinh lý mà phôi tiếp xúc trong suốt quá trình phát triển trước làm tổ. Ở giai đoạn phân chia sớm, khả năng chống oxy hóa nội sinh của phôi còn hạn chế. Vì vậy, môi trường có nồng độ oxy sinh lý được cho là giúp duy trì cân bằng giữa sự hình thành các gốc oxy hóa tự do (Reactive Oxygen Species – ROS) và hệ thống chống oxy hóa nội bào, góp phần bảo vệ tính toàn vẹn của tế bào phôi trước khi bộ gen phôi được hoạt hóa hoàn toàn.

Ở giai đoạn phân chia trước khi nén, phôi tiêu thụ oxy thấp và tạo ATP chủ yếu qua quá trình phosphoryl hóa oxy hóa tại ty thể, sử dụng pyruvate làm cơ chất năng lượng chính và hạn chế tiêu thụ glucose. Khi phát triển đến giai đoạn phôi nang, nhu cầu năng lượng tăng vọt, phôi chuyển dần sang con đường đường phân hiếu khí (Warburg-like metabolism) và tăng sử dụng glucose để phục vụ quá trình biệt hóa tế bào cũng như hình thành khoang phôi. Nuôi cấy trong môi trường oxy sinh lý 5% O₂ giúp quá trình chuyển đổi chuyển hóa này diễn ra ổn định, đồng thời duy trì hoạt động của chuỗi truyền điện tử ty thể để tối ưu hóa quá trình tạo ATP. Khi phôi nang hình thành, các tế bào lá nuôi (Trophectoderm – TE) có hoạt động chuyển hóa mạnh hơn, chứa nhiều ty thể và tiêu thụ nhiều oxy hơn khối tế bào nội mạc cơ bản (Inner Cell Mass – ICM), do đó sự ổn định chức năng ty thể đóng vai trò quyết định đối với tiềm năng phát triển của phôi.

Mặc dù ty thể là nguồn sản xuất ATP chính, đây cũng là nơi phát sinh phần lớn gốc tự do (ROS) nội bào từ sự rò rỉ điện tử chuỗi hô hấp. Ở nồng độ sinh lý, ROS tham gia điều hòa tín hiệu tế bào; tuy nhiên khi nuôi cấy ở oxy khí quyển 20–21% O₂, lượng ROS tích tụ quá mức sẽ gây stress oxy hóa, rối loạn chức năng ty thể, đứt gãy DNA, tổn thương bào quan và tăng chết tế bào theo chương trình (apoptosis). Khả năng tự bảo vệ của phôi bằng hệ thống enzyme chống oxy hóa (như SOD, glutathione peroxidase) còn rất hạn chế trong giai đoạn phát triển sớm. Ngoài ra, nồng độ oxy môi trường điều hòa trực tiếp các yếu tố phiên mã. Trong khi oxy sinh lý 5% O₂ kích hoạt yếu tố HIF giúp phôi thích nghi và duy trì biểu hiện các gen liên quan đến tạo mạch, vận chuyển dưỡng chất gần với điều kiện tự nhiên; thì oxy khí quyển 20–21% O₂ làm sụt giảm biểu hiện các gen vạn năng cốt lõi (OCT4, NANOG, SOX2). Sự thay đổi biểu hiện gen này làm suy giảm số lượng tế bào khối ICM và phá vỡ cấu trúc chặt chẽ của phôi, xảy ra ngay cả khi hình thái phôi nang nhìn bề ngoài vẫn được đánh giá bình thường. Do đó, việc bảo tồn đồng thời khối ICM (phát triển thành thai) và tế bào TE (phát triển thành bánh nhau) ở môi trường oxy sinh lý 5% O₂ có ý nghĩa quyết định đối với năng lực phát triển của phôi.

Nuôi cấy phôi ở khoảng 5% O₂ thường không làm thay đổi đáng kể tỷ lệ phôi phân chia sớm, nhưng cải thiện động học phát triển, tăng tỷ lệ hình thành phôi nang và nâng cao chất lượng phôi nang. Phôi nuôi cấy trong điều kiện này có tổng số tế bào cao hơn, khối ICM đặc hơn và TE phát triển đồng đều hơn. Ở cấp độ tế bào, môi trường oxy thấp (5% O₂) giúp giảm stress oxy hóa, hạn chế tổn thương DNA, giảm apoptosis, bảo vệ chức năng ty thể và duy trì ổn định các dấu ấn biểu sinh, từ đó làm tăng số lượng phôi hữu dụng và phôi đủ điều kiện đông lạnh. Một số nghiên cứu và phân tích tổng hợp ghi nhận xu hướng cải thiện tỷ lệ làm tổ, thai lâm sàng và thai diễn tiến, đặc biệt ở các chu kỳ nuôi cấy kéo dài đến giai đoạn phôi nang.

Nồng độ oxy 20–21% cao hơn đáng kể so với môi trường sinh lý của đường sinh dục nữ, làm tăng sản sinh ROS tại ty thể và gây stress oxy hóa kéo dài. Hậu quả là tổn thương DNA, giảm điện thế màng ty thể, suy giảm sản xuất ATP, tăng apoptosis và ảnh hưởng đến quá trình phát triển của phôi. Mặc dù phôi vẫn có thể phát triển đến giai đoạn phôi nang, tổng số tế bào thường thấp hơn, đặc biệt ở khối ICM. Phôi cũng có thể tăng phân mảnh, giảm độ kết dính của khối tế bào và suy giảm khả năng sống sau rã đông.

So với nuôi cấy ở nồng độ oxy khí quyển, môi trường 5% O₂ thường không làm thay đổi đáng kể tỷ lệ thụ tinh hoặc phân chia giai đoạn sớm, nhưng cải thiện chất lượng phôi trong giai đoạn nuôi cấy kéo dài. Nghiên cứu ngẫu nhiên của Dumoulin và cộng sự (1999) cho thấy phôi nuôi cấy ở 5% O₂ có tỷ lệ hình thành phôi nang và tổng số lượng tế bào phôi nang cao hơn so với nhóm 20% O₂, mặc dù tỷ lệ thụ tinh và phân chia sớm giữa hai nhóm không khác biệt. Kết quả này cho thấy lợi ích của môi trường oxy sinh lý chủ yếu biểu hiện ở giai đoạn phát triển muộn của phôi.

Phù hợp với kết quả trên, Wale và Gardner (2016) tổng hợp các bằng chứng cho thấy môi trường 20–21% O₂ làm tăng stress oxy hóa, rối loạn chức năng ty thể và suy giảm chất lượng sinh học của phôi, trong khi điều kiện 5% O₂ giúp duy trì trạng thái oxy hóa gần với sinh lý. Nastri và cộng sự (2016) cũng ghi nhận nuôi cấy ở 5% O₂ có xu hướng làm tăng tỷ lệ phôi nang chất lượng tốt và số lượng phôi chuyển hoặc đông lạnh.

Ở mức độ lâm sàng, Van Montfoort và cộng sự (2020) ghi nhận tỷ lệ phôi đạt tiêu chuẩn đông lạnh ở nhóm 5% O₂ cao hơn rõ rệt so với nhóm 20% O₂ (46,1% so với 29,7%). Mặc dù tỷ lệ có thai ở chu kỳ chuyển phôi tươi chưa ghi nhận sự khác biệt giữa hai nhóm, việc gia tăng số lượng phôi hữu dụng có thể làm tăng khả năng đạt ít nhất một trẻ sinh sống trong toàn bộ chu kỳ kích thích buồng trứng.

Về kết cục chu sinh, các bằng chứng hiện có chưa ghi nhận sự gia tăng nguy cơ bất lợi khi nuôi cấy ở 5% O₂. Cân nặng lúc sinh, tuổi thai, tỷ lệ sinh non, sảy thai, dị tật bẩm sinh, tỷ lệ trẻ nhỏ so với tuổi thai (Small for Gestational Age – SGA) và trẻ lớn so với tuổi thai (Large for gestational age – LGA) đều tương đương giữa hai nhóm, cho thấy nuôi cấy ở nồng độ oxy sinh lý không chỉ cải thiện chất lượng và hiệu quả sử dụng phôi mà còn đảm bảo tính an toàn đối với trẻ sinh ra.

Mặc dù nhiều nghiên cứu cho thấy nuôi cấy phôi ở khoảng 5% O₂ cải thiện chất lượng phôi, bằng chứng về lợi ích đối với tỷ lệ có thai lâm sàng và trẻ sinh sống vẫn chưa hoàn toàn nhất quán. Theo Cochrane Review của Bontekoe và cộng sự (2012), chất lượng bằng chứng hiện nay chỉ ở mức thấp đến trung bình do sự khác biệt về đối tượng nghiên cứu, hệ thống nuôi cấy, thời gian nuôi cấy, tiêu chí đánh giá và chiến lược chuyển phôi.

Một vấn đề khác đang được quan tâm là liệu có nên giảm nồng độ oxy xuống khoảng 2% sau giai đoạn nén hay không. Mặc dù một số nghiên cứu ghi nhận xu hướng cải thiện tỷ lệ tạo phôi nang, các nghiên cứu khác không cho thấy lợi ích rõ rệt, thậm chí trên một số mô hình động vật còn ghi nhận giảm số lượng tế bào phôi nang hoặc ảnh hưởng đến sự phát triển sau làm tổ.

Bên cạnh nồng độ oxy, hiệu quả nuôi cấy còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như thể tích giọt môi trường, lớp dầu phủ, hệ đệm pH, nhiệt độ và khả năng duy trì nồng độ CO₂ ổn định. Trong tương lai, cần có thêm các thử nghiệm ngẫu nhiên đa trung tâm với cỡ mẫu lớn và các nghiên cứu theo dõi dài hạn để xác định mức oxy tối ưu cho từng giai đoạn phát triển cũng như đánh giá ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe của trẻ sinh ra từ IVF.

Nuôi cấy phôi ở khoảng 5% O₂ mô phỏng gần với môi trường sinh lý của đường sinh dục nữ, giúp giảm stress oxy hóa, bảo tồn chức năng ty thể và DNA, từ đó cải thiện sự phát triển của phôi nang và tăng số lượng phôi hữu dụng. Các bằng chứng hiện có cho thấy môi trường oxy thấp (5% O₂) có thể làm tăng số lượng phôi đủ điều kiện đông lạnh và tỷ lệ trẻ sinh sống tích lũy mà không làm tăng các kết cục chu sinh bất lợi. Lợi ích của môi trường 5% O₂ đối với chất lượng phôi đã được chứng minh nhất quán, hiệu quả đối với tỷ lệ có thai lâm sàng và trẻ sinh sống ở mọi nhóm bệnh nhân. Tuy nhiên, tương lai cần thêm các nghiên cứu đa trung tâm với cỡ mẫu lớn, kết hợp theo dõi sức khỏe lâu dài của trẻ sinh và tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy (như đánh giá nồng độ oxy cực thấp và ứng dụng các công nghệ mới) sẽ góp phần hoàn thiện chiến lược nuôi cấy phôi trong IVF hiện đại

Bontekoe, S., Mantikou, E., van Wely, M., Seshadri, S., Repping, S., & Mastenbroek, S. (2012). Low oxygen concentrations for embryo culture in assisted reproductive technologies. Cochrane Database of Systematic Reviews, (7).

Dumoulin, J. C., Meijers, C. J., Bras, M., Coonen, E., Geraedts, J. P., & Evers, J. L. (1999). Effect of oxygen concentration on human in-vitro fertilization and embryo culture. Human Reproduction, 14(2), 465-469.

Nastri, C. O., Nóbrega, B. N., Teixeira, D. M., Amorim, J., Diniz, L. M., Barbosa, M. W., ... & Martins, W. P. (2016). Low versus atmospheric oxygen tension for embryo culture in assisted reproduction: a systematic review and meta-analysis. Fertility and Sterility, 106(1), 95-104.

Van Montfoort, A. P., Arts, E. G., Wijnandts, L., Sluijmer, A., Pelinck, M. J., Land, J. A., & Van Echten-Arends, J. (2020). Reduced oxygen concentration during human IVF culture improves embryo utilization and cumulative pregnancy rates per cycle. Human reproduction open, 2020(1), hoz036.

Wale, P. L., & Gardner, D. K. (2016). The effects of chemical and physical factors on mammalian embryo culture and their importance for the practice of assisted human reproduction. Human reproduction update, 22(1), 2-22.