Rewolucja w IVF: mikrofluidyczne chipy zmieniają denudację oocytów

Czy jesteśmy gotowi na rewolucję w IVF?

Mikrofluidyczne chipy mogą zrewolucjonizować denudację oocytów w procedurach IVF

Niepłodność staje się coraz bardziej powszechnym problemem zdrowotnym na świecie. Według danych Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), aż 1 na 6 osób zmaga się z niepłodnością. Globalna częstość występowania niepłodności wśród par w wieku reprodukcyjnym waha się między 12,6% a 17,5% w konkretnych regionach, takich jak Ameryka, Zachodni Pacyfik, Afryka i Europa. Choć techniki wspomaganego rozrodu (ART), takie jak in vitro fertilization (IVF) czy intracytoplasmic sperm injection (ICSI), oferują skuteczne rozwiązania, wciąż napotykają na pewne ograniczenia, takie jak wysokie koszty, ograniczona dostępność oraz piętno społeczne. Jednym z kluczowych etapów tych procedur jest denudacja oocytów – proces usuwania otaczających je komórek cumulus, który tradycyjnie wykorzystuje enzymatyczną aktywność hyaluronidazy. Jednak metoda ta niesie ze sobą ryzyko uszkodzenia oocytów, co może negatywnie wpływać na wskaźniki zapłodnienia i rozwój zarodków.

Nowe badanie opublikowane w Journal of Embryology prezentuje innowacyjne, niskokosztowe rozwiązanie tego problemu – specjalnie zaprojektowane mikrofluidyczne chipy do mechanicznej denudacji oocytów bez konieczności stosowania enzymów. Czy ta technologia może przyczynić się do poprawy efektywności procedur IVF w klinicznej praktyce? Naukowcy twierdzą, że tak, a wyniki ich badań są niezwykle obiecujące.

Jakie tajemnice kryje mikrofluidyka?

Mikrofluidyka to stosunkowo nowa dziedzina obejmująca badanie i manipulację zarówno płynami, jak i mikro/nanocząsteczkami w mikrokanałach często wytwarzanych na małych powierzchniach. Wykazała ona znaczące korzyści w zastosowaniach biomedycznych i badaniach, szczególnie w technikach wspomaganego rozrodu. Zapłodnienie z wykorzystaniem mikrofluidyki było obszarem intensywnych badań u świń i myszy, gdy oocyty poddawano przepływowi medium i nasienia przez małe rurki. Badacze mogą również wychwytywać próbki funkcjonalne o ograniczonych rozmiarach za pomocą chipów mikrofluidycznych, które wymagają minimalnej liczby komórek.

Badacze zaprojektowali trzy różne chipy mikrofluidyczne, różniące się liczbą jednostek rozszerzenia i konfiguracją kanałów przepływowych. Kluczowym elementem konstrukcji były specjalnie zaprojektowane ząbkowane powierzchnie o kącie około 141°, które miały mechanicznie usuwać komórki cumulus z powierzchni oocytów. Dodatkowo, chipy zawierały jednostki rozszerzenia, poprawiające dynamikę przepływu i umożliwiające kontrolowaną rotację oocytów podczas przemieszczania się przez kanały.

“Nasze podejście miało na celu wyeliminowanie konieczności stosowania hyaluronidazy, która może negatywnie wpływać na przeżywalność oocytów, wskaźniki zapłodnienia i rozwój po ICSI” – piszą autorzy badania, odwołując się do wcześniejszych doniesień o obniżonej zdolności oocytów do osiągnięcia stadiów moruli i blastocysty po enzymatycznej denudacji.

Warto zauważyć, że komórki cumulus pełnią ważną funkcję w procesie dojrzewania oocytów. Tworzą one połączenia szczelinowe z oolemą, często rozciągając wypustki cytoplazmatyczne poza osłonkę przejrzystą (zona pellucida). Poprzez tworzenie tych połączeń, komórki cumulus regulują dojrzewanie oocytów i wznowienie mejozy, tworząc metaboliczną współpracę między kompleksem cumulus-oocyt (COC). Ta międzykomórkowa komunikacja jest kluczowa dla prawidłowego rozwoju oocytów. Jednak w procedurach IVF i ICSI konieczne jest usunięcie tych komórek, aby umożliwić zapłodnienie.

Jak powstają i działają chipy mikrofluidyczne?

Badacze wykorzystali technologię grawerowania laserowego CO₂ na płytach PMMA (polimetakrylan metylu) do szybkiego i taniego wytworzenia chipów. Konstrukcja składała się z trzech warstw: górnej o grubości 3 mm służącej jako pokrywa z otworami wejściowymi i wyjściowymi, środkowej o grubości 0,1 mm zawierającej właściwy wzór kanałów, oraz dolnej o grubości 3 mm zamykającej chip. Co istotne, cały proces produkcji trwał zaledwie 20 minut, a koszt jednego chipu wynosił około 1 USD, co czyni tę technologię niezwykle dostępną.

Wybór PMMA jako materiału do produkcji chipów nie był przypadkowy. Chociaż PDMS (polidimetylosiloksan) jest często stosowany w mikrofluidyce ze względu na swoją biokompatybilność i dobrą stabilność termiczną, ma on pewne wady, takie jak wysokie koszty produkcji, czasochłonne przetwarzanie, niższa stabilność mechaniczna i potrzeba specjalistycznych technik łączenia. PMMA stanowi bardziej praktyczną alternatywę dla zastosowań na dużą skalę i efektywnych kosztowo.

Przed przeprowadzeniem rzeczywistych eksperymentów, zespół wykorzystał zaawansowane symulacje Computational Fluid Dynamics (CFD) do modelowania przepływu płynu i analizy naprężeń ścinających, jakim poddawane będą oocyty. Symulacje przeprowadzono dla różnych przepływów (od 0,25 do 1,5 mL/min), aby określić optymalne parametry pracy chipów. Co ciekawe, wyniki symulacji wykazały, że maksymalne naprężenia ścinające pojawiają się przy pierwszej parze ząbkowanych elementów, a ich wartość była podobna we wszystkich testowanych konfiguracjach chipów.

Prawdziwy przełom nastąpił podczas eksperymentów z wykorzystaniem oocytów bawolic. Oocyty pozyskano z jajników samic bawołów poddanych ubojowi, a następnie poddano procesowi dojrzewania in vitro w medium TCM 199 wzbogaconym o surowicę płodową bydlęcą, amfoterycynę B, FSH, pirogronian sodu, gentamycynę i estradiol 17β. Dojrzewanie odbywało się w inkubatorze CO₂ w temperaturze 38°C przy 5% CO₂ przez 22-24 godziny. Badacze oceniali efektywność denudacji, definiowaną jako stosunek całkowicie oczyszczonych oocytów do wszystkich oocytów. Wyniki były zaskakujące – chip oznaczony jako B, zawierający 5 jednostek rozszerzenia w dwuliniowej konfiguracji o długości 64,86 mm, osiągnął imponującą efektywność 98,33%. Niemal równie skuteczny był chip C z 99 jednostkami rozszerzenia i pięcioma liniami kanałów (96,67%), podczas gdy chip A wykazał znacznie niższą efektywność (66,67% i 41,17% w dwóch różnych kanałach).

Jakie czynniki decydują o tak wysokiej skuteczności? Autorzy wyjaśniają, że kluczowe znaczenie ma odpowiednia liczba ząbkowanych powierzchni, z którymi stykają się oocyty, oraz właściwa liczba jednostek rozszerzenia, promujących kontrolowaną rotację oocytów. “Rotacja zapewnia, że wszystkie powierzchnie oocytów wchodzą w interakcję ze strukturami ząbkowanymi, zwiększając ekspozycję na siły ścinające i poprawiając dynamikę płynów w chipie mikrofluidycznym, co ostatecznie prowadzi do wyższej efektywności denudacji” – podkreślają badacze.

Co istotne, mikroskopowa analiza oczyszczonych oocytów wykazała obecność ciałek kierunkowych (polar body), co potwierdza ich dojrzałość i integralność po procesie mechanicznej denudacji. Najnowsze badania sugerują, że ciałka kierunkowe odgrywają rolę w rozwoju zarodkowym, a ich forma koreluje z jakością i potencjałem zarodka. Jest to kluczowy wskaźnik jakości oocytów i ich potencjału do dalszego rozwoju.

Jakie perspektywy otwierają się przed klinikami?

Proces denudacji w chipach mikrofluidycznych jest naprawdę innowacyjny. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, oocyty wraz z medium są wprowadzane do chipu, gdzie napotykają ząbkowane powierzchnie generujące lokalne naprężenia ścinające, które ułatwiają usuwanie komórek cumulus. Jednocześnie jednostki rozszerzenia regulują dynamikę przepływu, promując kontrolowaną rotację oocytów i zapewniając równomierną ekspozycję na siły ścinające. Na wyjściu chipu oocyty pojawiają się w pełni pozbawione otaczających komórek, co demonstruje skuteczność projektu mikrofluidycznego w osiąganiu wydajnego i spójnego przetwarzania oocytów.

Czy ta technologia ma szansę zrewolucjonizować procedury IVF? Wszystko wskazuje na to, że tak. Mechaniczna denudacja oocytów za pomocą chipów mikrofluidycznych oferuje szereg korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami enzymatycznymi: eliminuje ryzyko toksycznego wpływu hyaluronidazy, zmniejsza zmienność operacyjną, która występuje przy ręcznym denudowaniu, oraz może być łatwo zintegrowana z istniejącymi protokołami klinicznymi.

Warto podkreślić, że badane chipy mikrofluidyczne wykazały doskonałą wydajność przy optymalnym przepływie 1 mL/min. Kiedy przepływ zmniejsza się, naprężenie ścinające na ścianie również się zmniejsza, co obniża wydajność denudacji. Z kolei przy zbyt wysokim przepływie zmniejsza się liczba oocytów na wyjściu z powodu ich uszkodzenia. Znalezienie tej równowagi jest kluczowe dla powodzenia procedury.

Jakie są perspektywy dalszego rozwoju tej technologii? Autorzy wskazują na możliwość automatyzacji procesu rozpoznawania i analizy oocytów przy użyciu systemów wizyjnych oraz rozwój niskokosztowych mechanizmów napędowych, które umożliwiłyby pełną automatyzację procedury bez użycia tradycyjnych pomp strzykawkowych. Taki kierunek rozwoju jeszcze bardziej zwiększyłby dostępność i standaryzację procedur denudacji oocytów.

Dla klinicystów i embriologów zajmujących się leczeniem niepłodności, przedstawione badanie oferuje obiecującą alternatywę dla tradycyjnych metod denudacji oocytów. Mikrofluidyczne chipy mogą nie tylko poprawić wskaźniki sukcesu procedur IVF poprzez zachowanie integralności oocytów, ale także znacząco obniżyć koszty i zwiększyć dostępność tych technologii dla szerszego grona pacjentów.

W obliczu rosnącej częstości występowania niepłodności na świecie, takie innowacje mogą mieć kluczowe znaczenie dla poprawy efektywności leczenia. Czy Twoja klinika jest gotowa na mikrofluidyczną rewolucję w procedurach IVF?

Podsumowanie

Badacze opracowali innowacyjne mikrofluidyczne chipy do mechanicznej denudacji oocytów w procedurach IVF, eliminując potrzebę stosowania enzymatycznej hyaluronidazy. Technologia wykorzystuje specjalnie zaprojektowane ząbkowane powierzchnie i jednostki rozszerzenia, osiągając skuteczność denudacji na poziomie 98,33%. Chipy wykonane z PMMA charakteryzują się niskim kosztem produkcji (około 1 USD) i krótkim czasem wytwarzania (20 minut). Badania przeprowadzone na oocytach bawolic potwierdziły skuteczność metody oraz zachowanie integralności komórek. Ta przełomowa technologia może znacząco poprawić efektywność procedur IVF, zmniejszyć koszty leczenia i zwiększyć dostępność terapii dla pacjentów zmagających się z niepłodnością, która według WHO dotyka 1 na 6 osób na świecie.

Bibliografia

Dessouky Ashraf Hisham, EL-Hussieny Haitham, EL-Sherry Taymour Mohammed, Parque Victor and Fath El-Bab Ahmed M. R.. A study on the effect of the number of expansion units in a microfluidic chip on hyaluronidase-free oocyte denudation in mammals. Journal of Electrical Bioimpedance 16(1), 23-34. DOI: https://doi.org/10.2478/joeb-2025-0004.