Einführendes Kapitel: Neue Technologien für das Studium der Embryonenspaltung

2.1. Morphokinetik der Embryonenspaltung auf der Grundlage von Zeitrafferaufnahmen

Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, die Entwicklung mehrzelliger Organismen vom befruchteten Ei bis zum erwachsenen Tier zu verfolgen. Während Wissenschaftler einzelne Schritte dieses Prozesses erforscht hatten, gab es keine Methode, die es ihnen ermöglicht hätte, den gesamten Entwicklungsprozess live zu modellieren. Dank der Fortschritte in der Lichtblattmikroskopie, über die in zwei Nature Method-Papers berichtet wird, können die Forscher nun die frühe Entwicklung sehr detailliert darstellen. Neuere Lichtblattmikroskope beleuchten einen dünnen Abschnitt einer Probe mit Laserlicht und nehmen die gesamte Ebene in einem Schnappschuss auf. Dadurch verbrauchen sie viel weniger Licht als konfokale oder Zwei-Photonen-Mikroskope. Es ist sehr schnell, aber auch sehr schonend und kann in mehreren kritischen Bereichen gleichzeitig sehr gute Leistungen erbringen. Für die Darstellung der Entwicklung ganzer Embryonen, wie die von Drosophila, Zebrafischen und Mäusen, ist diese neue Multiview-Imaging-Technik fantastisch.

Zeitraffer-Imaging ist eine weitere nicht-invasive, aufstrebende Technologie, die eine 24-Stunden-Überwachung der Embryonalentwicklung ermöglicht und die Möglichkeit bietet, die Quantität und Qualität der morphologischen Informationen zu erhöhen, ohne die Kulturbedingungen zu stören. Das Zeitraffermikroskop ist für die Beobachtung der Embryonalentwicklung sehr nützlich. In den letzten zehn Jahren haben viele IVF-Kliniken und -Zentren damit begonnen, Zeitrafferaufnahmen zu verwenden, um das Wachstum und die Teilung von Embryonen während der In-vitro-Kultur zu überwachen und schließlich anhand der aufgezeichneten Daten und Bilder Embryonen guter Qualität für den Transfer auszuwählen. Es wurde berichtet, dass diese Technik die Einnistung des übertragenen Embryos und die Schwangerschaft verbessern kann. Anhand von Zeitrafferaufnahmen der Embryonenspaltung kann die normale Geschwindigkeit der Embryonenspaltung bestimmt werden. Im zweiten Kapitel dieses Buches wird daher der Zeitpunkt der Embryonenspaltung anhand von morphokinetischen Markern mit Hilfe des Zeitraffermonitors beschrieben. Anhand dieses Zeitplans für die Embryonenspaltung können Embryologen klar erkennen, in welchem Stadium sich ein Embryo zu verschiedenen Zeitpunkten befinden sollte. So kann ein Embryo von optimaler Qualität oder ein Embryo mit hohem Implantationspotenzial für den Transfer ausgewählt werden, um eine höhere Schwangerschaftsrate zu erzielen. Durch die kontinuierliche und häufige Aufzeichnung im Zeitraffer können einige morphokinetische Marker im Zeitraffersystem aufgedeckt werden. So führt beispielsweise die schnelle Teilung der Embryozellen zu einem bestimmten Zeitpunkt häufig zu einer geringeren Einnistungsrate. Normalerweise dauert die Teilung von der Zygote in 2-3 Zellen etwa 10-11 Stunden, aber Rubio et al. fanden heraus, dass einige Embryonen nur etwa 5 Stunden brauchen, um diese Teilung abzuschließen, und diese Embryonen haben eine viel niedrigere Implantationsrate als Embryonen mit normaler Teilung (1,2 % gegenüber 20 %). Auch eine ungleiche Teilung des Embryos, die als Abbruch einer Blastomere in drei Tochterblastomere oder als Intervall des Zellzyklus von weniger als 5 Stunden definiert ist, führt häufig zu einem deutlich geringeren Implantationspotenzial. Daher können wir diese präziseren morphokinetischen Marker zur Unterscheidung der Embryoqualität verwenden.

Im dritten Kapitel wird weiter untersucht und überprüft, ob die Zeitraffer-Bildgebungstechnologie für die Auswahl von Embryonen „bester Qualität“ für den Transfer zur Verbesserung der ART-Ergebnisse anstelle der herkömmlichen morphologischen Bewertung nützlich ist. Interessanterweise wurden die möglichen Korrelationen zwischen dem Geschlecht des Embryos, der Fragmentierung des Embryos, den Behandlungsprotokollen, den verschiedenen Kulturmedien und der Morphokinetik des Embryos auf der Grundlage einiger neuer Forschungen über Zeitraffer-Bildgebungseinrichtungen bewertet. Darüber hinaus werden auch verschiedene Algorithmen und Vorhersagemodelle diskutiert, die für ART-Zyklen mit Zeitraffer-Bildgebung entwickelt wurden. Viele Untersuchungen zur Geschwindigkeit der Embryonalentwicklung bei Tieren und Menschen durch gewöhnliche morphologische Beobachtung haben beispielsweise gezeigt, dass männliche Embryonen schneller wachsen als weibliche Embryonen. Die aktuelle Zeitraffer-Bildgebung kann jedoch detailliertere und genauere Informationen über den Unterschied zwischen männlichen und weiblichen Embryonen während der frühen Teilung liefern. Obwohl weibliche Embryonen späte morphokinetische Parameter im Spaltungs- (t8), Morula- (tM) und Blastozystenstadium aufwiesen, zeigten sie eine frühere Expansion als männliche. Die wichtigsten Beobachtungszeitpunkte hängen also mit der Geschlechtsentwicklung des Embryos zusammen. Interessanterweise entwarfen die Autoren ein Modell entsprechend dem Zeitpunkt der zweiten Synchronie und der Morulabildung mit vier Untergruppen zur Vorhersage der Wahrscheinlichkeit, dass ein Embryo weiblich ist.

Um die Morphokinetik der Embryonenspaltung weiter zu untersuchen und zu erforschen, werden im vierten Kapitel einige Methoden zur raum-zeitlichen Analyse der Embryonenspaltung in vitro erörtert.Die automatisierte oder halbautomatisierte Zeitrafferanalyse von Bildern eines Embryos im Frühstadium während der Spaltung kann Aufschluss über den Zeitpunkt der Mitose, die Regelmäßigkeit des Teilungszeitpunkts und -musters sowie über die Zellabfolge geben. Die gleichzeitige Überwachung molekularer Prozesse ermöglicht die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen genetischer Expression und Zellphysiologie und -entwicklung. Mit Hilfe von Zeitraffer-Bilddaten und Analysesoftware kann auf einfache Weise eine vierdimensionale Videosequenzierung von Embryonen erstellt werden, so dass wachsende Embryonen neue Einblicke in die zeitliche Entwicklung des Embryos bieten. In diesem Kapitel beschreiben die Autoren drei Methoden mit unterschiedlichen Hardware- und Software-Analysen und geben einige Beispiele für die Ergebnisse, die ein Fenster zu neuen Informationen in der Entwicklungsembryologie öffnen, da das Teilungsmuster und die Abstammung von Embryonen in vivo untersucht werden.

2.2. Genexpression von Spaltungsembryonen und nichtinvasive Bewertung der Lebensfähigkeit von Embryonen durch die Analyse von Kulturmedien

Die Entwicklung von Präimplantationsembryonen durchläuft eine Reihe kritischer Ereignisse und bemerkenswerter epigenetischer Veränderungen, und es kommt zu einer Umprogrammierung der Genexpression, um das embryonale Genom zu aktivieren. In den frühen Stadien der Präimplantationsembryonalentwicklung steuern mütterliche mRNAs die embryonale Entwicklung. Während der gesamten frühen Embryonalentwicklung wird ein differenzielles Methylierungsmuster beibehalten, obwohl einige davon stadienspezifische Veränderungen aufweisen. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die differentielle Demethylierung zu einer differentiellen elterlichen Genexpression in den sich früh entwickelnden Embryonen führt, die sich auf die korrekte Entwicklung auswirken kann. Auch nichtcodierende RNAs, lange nichtcodierende RNAs (lncRNAs) und kurze nichtcodierende RNAs, microRNAs (miRNAs), spielen nachweislich eine wichtige Rolle bei der Regulierung von mRNAs, so dass ihre Rolle in der Präimplantationsentwicklung an Bedeutung gewonnen hat. Kapitel 5 gibt einen Überblick über die verschiedenen Faktoren, die die Genexpression während der Entwicklung von Präimplantationsembryonen beeinflussen, darunter auch epigenetische Faktoren mit Schwerpunkt auf Methylierungsprofilen in Gameten und Präimplantationsembryonen. Die Auswirkungen nichtkodierender RNAs auf die Genexpression wurden eingehend untersucht.

Da die Genexpression während der Embryonalentwicklung in der In-vitro-Kultur auftritt, benötigen Präimplantationsembryonen häufig nährstoffreiche Nährmedien. Der Embryo muss während seines Wachstums und seiner Entwicklung einige wichtige Nährstoffkomponenten aus dem Nährmedium aufnehmen und metabolisch einige Nebenprodukte als Ergebnis der Genexpression produzieren. Unter diesem Gesichtspunkt bietet die In-vitro-Kultur von Embryonen auch ein sehr wichtiges Material für die weitere nichtinvasive Bewertung von Embryonen durch die Untersuchung von Biomarkern im verbrauchten Embryonennährmedium. Die derzeit entwickelten Methoden konzentrieren sich auf die Messung von Stoffwechselverbindungen, die von sich entwickelnden Embryonen abgesondert werden. Bei diesen Studien werden hauptsächlich die Instrumente der modernen Analytik und Proteomik eingesetzt. Einige Studien deuten darauf hin, dass die Erstellung von Stoffwechselprofilen von Embryokulturmedien mittels optischer und nicht-optischer Spektroskopie eine nützliche Ergänzung zu den derzeitigen Strategien zur Bewertung von Embryonen darstellen und einen Einblick in den Phänotyp von Embryonen mit zunehmendem Reproduktionspotenzial geben könnte.

Im sechsten Kapitel beschreiben die Autoren ihre neue Entdeckung, die Alpha-1-Kette des menschlichen Haptoglobinmoleküls als quantitativen Biomarker für die Lebensfähigkeit von Embryonen. In einer Reihe von retrospektiven, blinden Experimenten wurde eine Erfolgsquote von mehr als 50 % erzielt. In diesem Kapitel werden die derzeit verfügbaren metabolischen und proteomischen Ansätze zur nichtinvasiven molekularen Bewertung der Lebensfähigkeit von Embryonen zusammengefasst. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Bewertung der molekularen Bestandteile von Nährmedien ein vielversprechender Bereich für die Suche nach Markern für eine erfolgreiche Einnistung des Embryos mit anschließender Entwicklung einer klinischen Schwangerschaft und der Geburt eines gesunden Babys ist, um die Effizienz der Behandlung mit ART-Techniken zu verbessern. Wenn die molekulare Zusammensetzung der Nährmedien als zusätzliches nichtinvasives Verfahren zur Auswahl eines Embryos für den selektiven Transfer verwendet werden kann, wird dies sehr nützlich sein, um das Ergebnis einer IVF-Schwangerschaft beim Menschen zu verbessern.