Melhorando tratamentos de IVF por pilhas de esperma da imagem lactente


News-Medical spoke to Professor Natan Shaked about his new sperm cell imaging technique that could be used to help improve the outcomes of IVF treatments.Thought LeadersProfessor Natan ShakedAssociate ProfessorTel Aviv University

Por que você escolheu pesquisar pilhas de esperma e IVF?

Minha carreira académico foi gravitada altamente para a pesquisa de uma novela, contudo altamente pragmática, modalidades microscópicas ópticas da imagem lactente 3D para aplicações biomedicáveis, com um foco na imagem lactente 3D mancha-livre de pilhas biológicas in vitro.

Dos vários domínios da aplicação para estas tecnologias, IVF é muito proeminente onde um gostaria de obter “muito mais” informação sobre as pilhas observadas, enquanto minimizando o dano a estas pilhas.

Porque uma comparação, na patologia típica, você está livre usar a mancha de produtos químicos na amostra biológica, como depois da análise, a amostra é rejeitada ou arquivada, mas é usada nunca para trás no corpo humano.

IVF

Crédito de imagem: Maxx-Studio/Shutterstock.com

Que é IVF?

Em sua definição mais estreita (e mais exacta), IVF convencional (in vitro fecundação) é um procedimento onde o ovo fêmea seja colocado dentro de um prato de petri junto com uma grande população de pilhas de esperma e de algum media de suporte, e fecundação do ovo por uma das pilhas de esperma é antecipado para ocorrer.

O tipo mais avançado e mais predominante de IVF é sabido como ICSI (injecção intracytoplasmic do esperma), como alguns estudos mostraram uma possibilidade maior da fecundação ao directamente selecionar e ao injetar uma única pilha de esperma no ovo. Estes procedimentos relacionam-se ao domínio geral da ARTE (tecnologias artificiais da reprodução).

Como você desenvolveu um método seguro e exacto da imagem lactente 3D monitorar o movimento e a qualidade da pilha de esperma?

Nós desenvolvemos as instalações holográficas clínicas que podem visualizar pilhas biológicas individuais sem manchar com grande contraste, e obtemos muito mais informação do que possível com mancha do regular (que não é permitida em IVF ou em ICSI).

A holografia usa a interferência óptica de um feixe da amostra com um feixe de referência para gravar o atraso da luz que passa através da amostra, e assim rende o contraste quantitativo etiqueta-livre na imagem.

Esta maneira, nós gravamos o wavefront completo da amostra que contem o mapa óptico da espessura, ou o mapa de OPD (atraso óptico do trajecto) da pilha, de modo que em cada ponto neste mapa, OPD seja igual à integral dos valores do R.I. através da espessura da pilha.

Nós usamos um feixe luminoso muito fraco para evitar danificar o material genético.

A figura abaixo das imagens dos presentes das pilhas de esperma adquiridas em meu laboratório, que demonstra as diferenças entre a informação qualitativa forneceu a microscopia do campo, (BFM) mesmo se usando pela rotulagem ou pela mancha brilhante aumentar o contraste, a microscopia diferencial do contraste (DIC) da interferência, que é uma das técnicas de imagem lactente qualitativas de uso geral da fase, e a holografia, ou a microscopia interferometric da fase (IPM), que permite medidas quantitativas da espessura óptica da pilha em todos seus pontos.

Os valores no mapa topográfico de OPD são proporcionais à densidade seca da superfície da massa da pilha imaged, que é um exemplo de um parâmetro celular que não esteja disponível aos clínicos até agora.

Imagem lactente das mesmas pilhas de esperma com métodos qualitativos típicos da microscopia e com IPM quantitativo (holografia), fornecendo o mapa topográfico de OPD, como obtido em meu grupo. A barra de cor à direita representa valores de OPD no nanômetro, para a imagem holográfica. BFM = microscopia brilhante do campo. DIC = contraste diferencial da interferência, IPM = microscopia Interferometric da fase (holografia).

A holografia, é baseada geralmente em uma tecnologia madura para a detecção do wavefront. Contudo, até que recentemente não poderia ser executada nas clínicas devido a seu tamanho, a não-mobilidade, e à exigência para que as habilidades ópticas específicas a alinhem e usem.

Nos últimos anos, nós fizemos esforços significativos e sucedemos para fazer estes sensores do wavefront disponíveis para o uso clínico directo.

Nós usamos os módulos compactos e portáteis que podem ser conectados aos microscópios existentes do laboratório e fornecer dados holográficos ao mesmos, ou mesmo a melhor qualidade, comparada a estes fornecidos pelas instalações muito mais volumosas e caras.

Certamente, usando estas instalações, nós mostramos que as instalações holográficas clínica-prontas enlatam pilhas de esperma da imagem com contraste excelente sem manchar, possuindo o potencial para detectar a fragmentação do ADN em pilhas de esperma sem manchar, assim como virtualmente as manchar, significando mostrando as pilhas como foram manchadas quimicamente (papel recente de PNAS).

A holografia fornece apenas um mapa topográfico de OPD. Não tem uma capacidade de secção intracelular e não pode fornecer a imagem do x-y-z 3D.

Para permitir o visualização da imagem 3D completa, o tomografia interferometric é usado, onde muitas projecções holográficas dos ângulos múltiplos são recolhidas e processadas para gerar o mapa de 3D R.I.

Para permitir a coleção de projecções holográficas para ângulos de visão múltiplos, há duas aproximações: girando a amostra inteira ou a varredura da iluminação.

Contudo, nenhuns destes métodos podem lidar com o problema de obter a imagem lactente 3D etiqueta-livre de alta resolução de pilhas dinâmicas ultra-rápidas, como as pilhas de esperma que nadam livremente desde o giro da amostra ou a iluminação toma o tempo.

Em nossa ciência recente avança o papel, nós apresentamos o primeiro tomografia interferometric de alta resolução para a aquisição 3D da pilha de esperma inteira (cabeça com organelles e cauda) durante a nadada livre, e sem mancha da pilha.

Nós conseguimos ambo o perfil de 3D R.I. da cabeça do esperma, revelando seus organelles internos finos e tempo-variando a orientação e (espaço e tempo) a localização 4D detalhada da cauda fina, altamente dinâmica da pilha de esperma.

O tomografia da cabeça do esperma é baseado no facto de que o esperma gira sua cabeça naturalmente durante a nadada livre, assim que dá-nos uma possibilidade “livre” para gravar suas projecções holográficas. Este método tem o grande potencial para ensaios biológicos e o uso clínico de pilhas de esperma intactos desde que fornece a imagem lactente 3D (ou 4D) dinâmica.

Veja as figuras abaixo.

imagem do esperma 4D: aquisição 3D de uma pilha de esperma durante a nadada livre sem manchar.
Taxa da aquisição: 2000 quadros do segundos, duração: metade um do segundo.

Visualização dos organelles internos da pilha de esperma, que pode ser discriminada pelos valores de seu R.I. (RI). Isto é feito durante a nadada do esperma e sem manchá-la.

Que benefícios seu método novo da imagem lactente tem sobre outras técnicas de imagem lactente usadas previamente em IVF?

Em relação a nossas técnicas holográficas regulares, o WHO (Organização Mundial de Saúde) e o clínicos e a comunidade científica da medicina reprodutiva caracterizaram a estrutura interna de “boas” pilhas de esperma, um pouco exactamente; contudo para poder avaliar se as pilhas de esperma seguem com estes critérios, um precisaria de manchar quimicamente as pilhas, e pelo esse, torna-as inoportunas para o uso em IVF.

Nossa técnica holográfica permite que o embryologist tenha toda a informação que é exigida aplicando os critérios do WHO, assim como uma informação muito mais perspicaz sobre as pilhas de esperma individuais que estão sendo observadas, como o nível da fragmentação do ADN.

Agora nós somos mesmo melhores do que este, desde nossa aproximação tomográfica fornece a aquisição completa da dinâmica do esperma 3D (e de não apenas uma projecção holográfica). A análise pode ou ser feita manualmente pelo embryologist ou automaticamente, pelo computador.

Desde as imagens 4D das pilhas de esperma, que são fecundação escolhida, são gravados agora (em contraste com a prática comum hoje), e elas contêm muitos parâmetros novos, tais como os volumes do organelle do esperma e sua dinâmica 3D completa, uma base de dados de pilhas de esperma pode ser construída, analisado profundamente aprendendo, e seja usada então para investigar as razões do sucesso/falha dos pares, que estabelece uma ferramenta personalizada nova da medicina.

Por que é importante que o teste da imagem lactente é seguro para o uso em pilhas de esperma?

Há directrizes reguladoras muito restritas na segurança aos gâmeta (isto é ovos e pilhas de esperma) que é pretendido ser usado para criar in vitro embriões, como claramente, estes transformaria esperançosamente em bebês.

Por que a mancha de pilhas de esperma não é permitida em IVF?

Há uns tipos diferentes de manchas, contudo, manchando pôde precisar “de matar” a pilha de esperma, quebrando sua membrana exterior para permear-la (isto é para penetrar) com o agente de rotulagem particular e para ligá-la internamente à molécula do alvo, que pode ser uma proteína no núcleo, no acrosome, no citoplasma, etc.

Além disso, os procedimentos humanos de IVF tipicamente não reservam usar mesmo tinturas fluorescentes para as pilhas de esperma vivas devido ao risco de danificar o material genético do esperma.

Por que é a qualidade do esperma tão importante em tratamentos de IVF?

A melhor selecção do esperma conduzirá às melhores taxas e resultados de gravidez. Os resultados clínicos estão em um nascimento fora de aproximadamente seis ciclos de IVF.

Tipicamente, todos os ovos são fertilizados por pilhas de esperma em um tratamento médio de IVF devido a seu número pequeno (ao redor dez ovos), mas a selecção individual do esperma fora de milhões está no coração de um tratamento médio de IVF e tem um impacto médico, financeiro, emocional, social, e carreira-sábio nos pares que tentam transformar-se pais. Cada pilha de esperma conduz a uma pessoa diferente se a gravidez é bem sucedida.

O esperma muito individual que fertilizaria eventualmente o ovo é acreditado ter apenas como o papel importante em determinar o destino da gravidez, como esta do ovo. A cultura típica do embrião de 3 ou 5 dias, permitiria somente um relance parcial da “qualidade detalhada” do embrião e de suas possibilidades render o nascimento.

Há, certamente, as técnicas relativamente novas que estão sendo empregadas como uma substituição para a amniocentese, que é denominada tipicamente PGD ou PGS, contudo seria na maior parte adequada tentar e identificar traços genéticos específicos, assim que estas revelações não competem mas terminam-se um pouco.

Também, nós não queremos enfrentar uma situação em que todos os ovos em um ciclo de IVF são fertilizados por pilhas de esperma defected.

ICSI

Crédito de imagem: nobeastsofierce/Shutterstock.com

Como este método ajudará em melhorar os tratamentos futuros de IVF?

Nós acreditamos que apenas porque todo o embryologist hoje usaria seu microscópio padrão para olhar a maneira uma pilha de esperma do candidato nada ou está dada forma geralmente, no futuro não muito distante, nós estaríamos vendo muitos embryologists aplicar a selecção detalhada de pilhas de esperma do candidato antes individualmente de injetá-las nos ovos recuperados.

Promova abaixo da estrada, nós pretendemos gerar uma base de dados detalhada das imagens 3D mancha-livres da pilha de esperma, e junto com imagens do embrião e a informação clínica do resultado, e usando-se profundo-aprendendo metodologias, pavimente a estrada para a selecção AI-baseada grande-dados do esperma da próxima geração.

Você acredita que sua técnica de imagem lactente poderia ajudar em diagnosticar os problemas masculinos da fertilidade?

Um de seis pares sofre dos problemas da fertilidade. Acredita-se que 1/3 de todos os casos da infertilidade são devido unicamente ao homem-factor, 1/3 unicamente dos fêmea-factores, e o 1/3 permanecendo são combinados.

A avaliação clínica se o caso está em um destes grupos é colhida geralmente, seguindo alguns testes rotineiros clínicos e de laboratório executados com os pares que incluem a análise do esperma.

Nossa técnica é baseada na imagem lactente mancha-livre original e directa de pilhas de esperma com uma estação de trabalho nivelada clínica.

Em nosso estudo, nós procuramos desenvolver inteiramente um novo tipo de tecnologia imagiológica que fornecesse tanta informação como possível sobre os espermatozóides e permitisse a selecção de espermatozóides óptimos em tratamentos da fecundação. Como explicado acima, nós escolhemos o tomografia holográfico.

Usando nossa técnica, nós acreditamos que um teste rápido, barato, e simples pode afirmar ou negar estas explicações potenciais para a infertilidade.

Em nosso papel da fertilidade e da esterilidade, nós mostramos que nós podemos fazer tão bom quanto o protocolo (WHO) da Organização Mundial de Saúde para pilhas da mancha, mas sem manchar. E isto era apenas usando uma única projecção holográfica.

Eu co-fundei, junto com o CEO Alon Shalev, uma empresa nomeada QART médico, que é esperado trazer esta tecnologia às clínicas dentro dos próximos 2 anos. Na empresa, nós construímos diversas máquinas clínicas da imagem lactente do esperma, e somos esperados começar logo ensaios clínicos.

Agora, nós somos mesmo melhores desde que nós temos um método muito rápido da imagem lactente 3D para o esperma inteiro (principal e cauda), sem manchar. Assim nós podemos relacionar a dinâmica do esperma 3D a sua morfologia e compreender os mecanismos no corpo da mulher da selecção do esperma.

Que são os passos seguintes em sua pesquisa?

Nós construímos diversos protótipos de funcionamento em meu laboratório para a imagem lactente holográfica nos ajustes clínicos, milhares imaged de pilhas de esperma, analisados lhes, e executamos vários ensaios por embryologists clínicos experientes, porque por nossa validação da técnica (veja publicações abaixo).

Nós queremos poder trazer o mais cedo possível esta tecnologia às clínicas, que reservarão a usar para IVF e ICSI humanos.

Usando nossa técnica de imagem lactente 4D recente, eu planeio estudar os comportamentos dinâmicos do esperma em várias encenações, a fim construir um modelo biofísico e biomecânico unificado que conecte a morfologia, o movimento, e os índices do esperma 3D.

Eu igualmente planeio verificar as capacidades completas de nossa técnica de imagem lactente 4D mancha-livre nova em detectar os vários detalhes morfológicos que não poderiam ser detectados até agora durante IVF e ICSI e determinar sua importância clínica, assim como verifico nossa capacidade da técnica em medir o nível da fragmentação do ADN em pilhas de esperma.        

Onde podem os leitores encontrar mais informação?

Grupo de investigação: www.eng.tau.ac.il/~omni

Empresa: www.qart-medical.com

Papéis científicos relevantes do específico:

  • G. Dardikman-Yoffe, S.K. Mirsky, I. Barnea, e N.T. Shaked, “aquisição 4-D de alta resolução livremente de nadar pilhas de esperma humanas sem manchar,” avanços da ciência, Vol. 6, no. 15, eaay7619, 2020 [pdf, esteira supl., vídeo 1, vídeo 2, vídeo 3, vídeo 4, vídeo 5] [relação].
  • Y.N. Nygate, M. Levi, S.K. Mirsky, N.A. Turko, M. Rubin, I. Barnea, G. Dardikman-Yoffe, M. Haifler, A. Shalev, e N.T. Shaked, “mancha virtual holográfica de pilhas biológicas individuais,” continuações da Academia Nacional das Ciências EUA (PNAS), 2020 [pdf] [relação].
  • M. Haifler, P. Girshovitz, G. Faixa, G. Dardikman, I. Madjar, e N.T. Shaked, “microscopia Interferometric da fase para a avaliação morfológica etiqueta-livre das pilhas de esperma,” da fertilidade e da esterilidade, Vol. 104, edição 1, pp. 43-47, 2015 [vista].
  • I. Barnea, L. Karako, S.K. Mirsky, M. Levi, M. Balberg, e N.T. Shaked, “correlação interferometric Mancha-livre da microscopia da fase com mancha da fragmentação do ADN em espermatozóides humanos,” jornal de Biophotonics, Vol. 11, e201800137, pp.1-10, 2018 [relação].
  • P. Jacob Eravuchira, S.K. Mirsky, I. Barnea, M. Levi, M. Balberg, e N.T. Shaked, “selecção individual do esperma pelo microfluidics integrado com microscopia interferometric da fase,” métodos, Vol. 136, pp. 152-159, 2018 [relação].
  • S.K. Mirsky, I. Barnea, M. Levi, H. Greenspan, e N.T. Shaked, “análise automatizada de pilhas de esperma individuais usando a aprendizagem interferometric mancha-livre da microscopia e de máquina da fase,” parte A do Cytometry, Vol. 91, edição 9, pp. 893-900, 2017 [relação].
  • M. Balberg, M. Levi, K. Kalinowski, I. Barnea, S. Mirsky, e N.T. Shaked, “medidas localizadas de parâmetros físicos dentro das pilhas de esperma humanas obtidas com interferometria do largo-campo,” jornal de Biophotonics, Vol. 10, edição 10, 1305-1314, 2017 [relação].

Sobre o professor Natan Shaked

O prof. Natan T. Shaked é um professor adjunto tenured e o director da microscopia, do Nanoscopy e do grupo de investigação ópticos biomedicáveis da interferometria (OMNI) (www.eng.ac.il/~omni), um grande grupo de investigação que seja uma parte do departamento da engenharia biomedicável e do centro Nano da universidade de Tel Aviv, Tel Aviv, Israel.

Localizado em três espaços do laboratório, o grupo executa a pesquisa multidisciplinar que envolve a imagem lactente óptica e que detecta em sistemas biológicos. Até abril de 2011, o prof. Shaked era um professor adjunto de visita no departamento da engenharia biomedicável em Duke University, Durham, North Carolina, EUA.Professor Natan Shaked

Shaked tem graus do BSc, do CAM, e do Ph.D. em elétrico e na engenharia informática. O prof. Shaked é o co-autor de mais de 80 papéis arbitrados do jornal e papéis da conferência 150, diversos registram capítulos, patentes, e um livro editado.

Está presidindo a imagem lactente Etiqueta-Livre de SPIE e está detectando o Congresso Anual (LBIS) no oeste de SPIE Photonics, no San Francisco, nos EUA, e no co-fundador de Ltd médico de QART (www.qart-medical.com). O prof. Shaked ganhou muitos subsídios de investigação prestigiosos que incluem a concessão pessoal de HORIZON2020 ERC, que financiou esta pesquisa.

Citations

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