Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN jako pierwsi na świecie wykorzystali holotomografię do oceny żywych komórek jajowych. Opracowana w Krakowie metoda ma pomóc wybierać oocyty dające największą szansę na prawidłowy rozwój ciąży i narodziny zdrowego dziecka.
Za innowacyjnym rozwiązaniem stoi zespół Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, który współpracował z Instytutem Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk. Badaczki opracowały technologię pozwalającą w ciągu około 10 minut uzyskać trójwymiarowy obraz żywej komórki jajowej oraz przeanalizować jej profil lipidowy. To może być odpowiedź na jeden z najważniejszych problemów współczesnej medycyny reprodukcyjnej. Obecnie wybór komórki jajowej przeznaczonej do zapłodnienia pozaustrojowego opiera się przede wszystkim na obserwacji jej wyglądu pod mikroskopem. Taka ocena nie pokazuje jednak różnic metabolicznych i strukturalnych, które mogą decydować o zdolności oocytu do dalszego rozwoju.
– Dwie komórki jajowe, które pod mikroskopem wydają się identyczne, mogą mieć zupełnie różny potencjał rozwojowy. Wpływ na to ma między innymi objętość zgromadzonych w komórkach lipidów, ich rozmieszczenie i struktura. Opracowana przez nas metoda pozwala zajrzeć do wnętrza żywych oocytów i ocenić ich stan, co umożliwia właściwą selekcję. Embriolog może nareszcie wybrać do zapłodnienia komórki o optymalnych parametrach metabolicznych, zwiększając szansę na implantację zarodka, prawidłowy przebieg ciąży i narodzenie zdrowego dziecka – mówi prof. Grażyna Ptak z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ.
Zastosowanie holotomografii ma zastąpić subiektywną ocenę morfologiczną obiektywnymi danymi opisującymi fizjologiczny i biochemiczny stan komórki. Nie chodzi przy tym jedynie o zwiększenie liczby zapłodnień. Najważniejszym celem jest poprawa szans na implantację zarodka, donoszenie ciąży i narodziny zdrowego dziecka.
Holotomografia jest zaawansowaną techniką obrazowania 3D. Opiera się na pomiarze współczynnika załamania światła w strukturach znajdujących się wewnątrz badanego materiału. Pozwala dzięki temu zobaczyć wnętrze żywej komórki bez używania barwników i innych znaczników oraz bez ingerowania w materiał biologiczny – Holotomografia pozwala zobaczyć żywą komórkę w trzech wymiarach bez stosowania jakichkolwiek znaczników. Analizujemy rozmieszczenie lipidów w całej objętości oocytu, uzyskując informacje, których nie dostarcza klasyczna mikroskopia świetlna – wyjaśnia dr hab. inż. Joanna Depciuch-Czarny z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.
Podczas badania analizowane są rozmieszczenie i objętość struktur lipidowych w całej komórce jajowej. Lipidy jako pierwsze reagują na stres oksydacyjny, który może prowadzić do zmian w błonach komórkowych i obniżenia potencjału rozwojowego oocytu. Ich analiza pozwala więc wykryć niekorzystne procesy jeszcze przed pojawieniem się uszkodzeń białek lub materiału genetycznego. Komputerowa rekonstrukcja trójwymiarowego obrazu umożliwia ilościową ocenę poszczególnych parametrów. Na tej podstawie pobrane oocyty mogą zostać uszeregowane od tych o najlepszym potencjale do najbardziej zaburzonych.
Krakowskie badaczki rozwiązały problem techniczny
Samo zastosowanie holotomografii nie było jedynym osiągnięciem zespołu. Technika ta była wcześniej wykorzystywana głównie do badania komórek przylegających do podłoża. Komórki jajowe pozostają natomiast zawieszone w pożywce hodowlanej, dlatego ich pełne zobrazowanie wymagało opracowania nowego sposobu przygotowania i unieruchomienia materiału.
– Opracowanie naszej metody wymagało rozwiązania wielu problemów technicznych na etapie preparacji. Jednym z nich było znalezienie skutecznego sposobu obrazowania pojedynczej zawieszonej w pożywce hodowlanej komórki pod mikroskopem holotomograficznym. Innym wyzwaniem było unieruchomienie owej pojedynczej nieprzylegającej do podłoża komórki. Na tym polu jesteśmy pionierkami – mówi Hafsa Gulzar z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ. Badaczkom udało się zoptymalizować wszystkie czynności w taki sposób, aby analiza całej puli pobranych oocytów mogła zostać przeprowadzona w ciągu około 10 minut. Obrazowanie odbywa się z dokładnością na poziomie nanometrów. Sposób przygotowania komórek oraz ich pełnej analizy przestrzennej jest jednym z najważniejszych elementów polskiego zgłoszenia patentowego.
Technologia ma trafić do klinik leczenia niepłodności
Jak wskazują autorzy rozwiązania, dotychczasowe systemy oparte wyłącznie na wizualnej ocenie komórek jajowych, także te wykorzystujące sztuczną inteligencję, nie potrafią skutecznie określić ich potencjału rozwojowego. Poza przypadkami wyraźnych zmian w wyglądzie oocytu selekcja morfologiczna nie wpływa znacząco na odsetek uzyskiwanych ciąż. Nowa metoda wzbudza zainteresowanie klinik leczenia niepłodności, które poszukują sposobów na zwiększenie skuteczności terapii i ograniczenie liczby nieudanych prób. Docelowo rozwiązanie ma zostać zintegrowane z mikroskopami holotomograficznymi i wspierać embriologów w codziennej pracy.
– Technologia odpowiada na potrzeby stosowania skutecznych metod oceny komórek jajowych. Obecnie analizujemy możliwe scenariusze komercjalizacji i wspieramy zespół w poszukiwaniu partnerów zainteresowanych dalszym rozwojem rozwiązania, tak by docelowo umożliwić jego wykorzystanie w laboratoriach embriologicznych – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii CITTRU Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Technologia nie jest jeszcze standardowo wykorzystywana podczas procedur in vitro. Zespół prowadzi obecnie dalsze badania i walidację rozwiązania w trzech kierunkach. Pierwszym są doświadczenia na modelach zwierzęcych, które mają pokazać długoterminowy wpływ zmian profilu lipidowego komórek jajowych na zdrowie dorosłego potomstwa. Drugi obszar obejmuje badanie przyczyn zmian profilu lipidowego oocytów przekazywanych do celów naukowych przez współpracujące kliniki. Naukowcy pracują również nad komponentem wykorzystującym uczenie maszynowe, który ma ustandaryzować i przyspieszyć analizę informacji uzyskiwanych podczas obrazowania.
W przyszłości oprogramowanie ma stać się integralną częścią mikroskopów holotomograficznych. Dzięki temu embriolodzy mogliby otrzymywać szybką i opartą na obiektywnych danych ocenę jakości poszczególnych komórek jajowych – Obecnie, mimo dynamicznego rozwoju technologii wspomaganego rozrodu, skuteczność procedur IVF nadal utrzymuje się na poziomie zaledwie około 35 proc. Jednym z głównych czynników limitujących współczynnik powodzenia jest brak obiektywnej i wiarygodnej metody oceny jakości oocytów wybieranych do zapłodnienia. Ufam, że nasza technologia doprowadzi do postępu w tej dziedzinie i rozwiąże problem, z którym kliniki borykają się od lat – dodaje prof. Grażyna Ptak.
