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Perfeccionar tratamientos de IVF por las células de esperma de la proyección de imagen


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 qué usted eligió investigar las células de esperma e IVF?

Mi carrera académica fue gravitada altamente hacia la investigación de una novela, con todo altamente pragmático, las modalidades microscópicas ópticas de la proyección de imagen 3D para los usos biomédicos, con un foco en la proyección de imagen mancha de óxido-libre 3D de células biológicas in vitro.

De los diversos dominios del uso para estas tecnologías, IVF es muy prominente donde uno quisiera obtener “mucho más” información sobre las células observadas, mientras que disminuye el daño a estas células.

Pues una comparación, en patología típica, usted está libre de utilizar la coloración de las substancias químicas en la muestra biológica, como después del análisis, la muestra se desecha o está archivada, pero nunca se utiliza detrás en el cuerpo humano.

IVF

Haber de imagen: Maxx-Studio/Shutterstock.com

¿Cuál es IVF?

En su definición más estrecha (y más exacta), IVF convencional (fertilización in vitro) es un procedimiento donde el huevo femenino se coloca dentro de una placa de Petri así como una población grande de células de esperma y de un cierto ambiente de apoyo, y fertilización del huevo por una de las células de esperma se anticipa para ocurrir.

El tipo más avanzado y más frecuente de IVF se conoce como ICSI (inyección intracitoplásmica de la esperma), como algunos estudios han mostrado una mayor ocasión de la fertilización al directamente seleccionar e inyectando una única célula de esperma en el huevo. Estos procedimientos se relacionan con el dominio general del ARTE (tecnologías artificiales de la reproducción).

¿Cómo usted desarrolló un método seguro y exacto de la proyección de imagen 3D vigilar el movimiento y la calidad de la célula de esperma?

Hemos desarrollado los montajes olográficos clínicos que pueden visualizar las células biológicas individuales sin la coloración con gran contraste, y obtenemos mucho más información que posible con la coloración del asiduo (que no se permite en IVF o ICSI).

La olografía utiliza la interferencia óptica de un haz de la muestra con un haz de referencia para registrar el retraso de la luz que pasa a través de la muestra, y rinde así contraste cuantitativo escritura de la etiqueta-libre en la imagen.

Esta manera, registramos el frente de onda completo de la muestra que contiene el mapa óptico del espesor, o el mapa de OPD (retraso óptico del camino) de la célula, de modo que en cada punto en este mapa, OPD sea igual al integral de los valores del índice de refracción a través del espesor de la célula.

Utilizamos un haz luminoso muy débil para evitar dañar el material genético.

La figura abajo de imágenes de los presentes de las células de esperma detectadas en mi laboratorio, que demuestra las diferencias entre la información cualitativa ofreció por microscopia del campo, (BFM) incluso si usó la etiqueta o la coloración brillante de aumentar contraste, la microscopia diferenciada del contraste (DIC) de la interferencia, que es una de las técnicas de proyección de imagen cualitativas de uso general de la fase, y la olografía, o la microscopia interferométrica de la fase (IPM), que permite mediciones cuantitativas del espesor óptico de la célula en todos sus puntos.

Los valores en el mapa topográfico de OPD son proporcionales a la densidad superficial en masa seca de la célula reflejada, que es un ejemplo de un parámetro celular que no ha estado disponible para los clínicos hasta ahora.

Proyección de imagen de las mismas células de esperma con métodos cualitativos típicos de la microscopia y con IPM cuantitativo (olografía), ofreciendo el mapa topográfico de OPD, según lo obtenido en mi grupo. La barra de color a la derecha representa valores de OPD en el nanómetro, para la imagen olográfica. BFM = microscopia brillante del campo. DIC = contraste diferenciado de la interferencia, IPM = microscopia interferométrica de la fase (olografía).

La olografía, se basa generalmente en una tecnología madura para detectar del frente de onda. Sin embargo, hasta hace poco tiempo no podría ser ejecutada en las clínicas debido a su volumen, a la no-portabilidad, y al requisito para que las habilidades ópticas específicas lo alineen y utilicen.

En los años últimos, hemos hecho esfuerzos importantes y hemos tenido éxito para hacer estos sensores del frente de onda asequibles para el uso clínico directo.

Utilizamos los módulos compactos y portátiles que pueden ser conectados con los microscopios existentes del laboratorio y ofrecer datos olográficos lo mismo, o aún una mejor calidad, comparada a éstos ofrecidos por los montajes mucho más abultados y costosos.

De hecho, usando estos montajes, hemos mostrado que los montajes olográficos clínica-listos pueden las células de esperma de la imagen con contraste excelente sin la coloración, poseyendo el potencial para descubrir la fragmentación de la DNA en células de esperma sin la coloración, así como virtualmente mancharlas, significando mostrando las células como químicamente fueron manchados (papel reciente de PNAS).

La olografía ofrece apenas un mapa topográfico de OPD. No tiene una capacidad de seccionamiento intracelular y no puede ofrecer la imagen del x-y-z 3D.

Para permitir la visualización de la imagen completa 3D, la tomografía interferométrica se utiliza, donde muchas proyecciones olográficas de ángulos múltiples cerco y se tramitan para generar el mapa del índice de refracción 3D.

Para permitir la colección de proyecciones olográficas para los ángulos de visión múltiples, hay dos aproximaciones: girando la muestra entera o la exploración de la iluminación.

Sin embargo, ningunos de estos métodos pueden hacer frente al problema de obtener la proyección de imagen escritura de la etiqueta-libre de alta resolución 3D de células dinámicas ultrarrápidas, como las células de esperma que nadan libremente desde la rotación de la muestra o la iluminación toma tiempo.

En nuestra ciencia reciente avance el papel, presentamos la primera tomografía interferométrica de alta resolución para la adquisición 3D de la célula de esperma entera (culata de cilindro con los organelos y la cola) durante nadada libre, y sin la coloración de la célula.

Logramos ambo el perfil del índice de refracción 3D de la culata de cilindro de la esperma, revelando sus organelos internos finos y orientación de tiempo variable y (espacio y tiempo) la localización detallada 4D de la cola fina, altamente dinámica de la célula de esperma.

La tomografía de la culata de cilindro de la esperma se basa en el hecho de que la esperma gira su cabeza naturalmente durante nadada libre, así que nos da una posibilidad “libre” para registrar sus proyecciones olográficas. Este método tiene gran potencial para los análisis biológicos y el uso clínico de las células de esperma intactas puesto que ofrece la proyección de imagen dinámica 3D (o 4D).

Vea las figuras abajo.

imagen de la esperma 4D: adquisición 3D de una célula de esperma durante nadada libre sin la coloración.
Régimen de la adquisición: 2000 marcos del segundos, duración: mitad al segundo.

Visualización de los organelos internos de la célula de esperma, que se puede discriminar por los valores de su índice de refracción (RI). Esto se hace durante la nadada de la esperma y sin la coloración de ella.

¿Qué ventajas su nuevo método de la proyección de imagen tiene sobre otras técnicas de proyección de imagen usadas previamente en IVF?

En relación con nuestras técnicas olográficas regulares, el WHO (Organización Mundial de la Salud) y la comunidad clínica y científica de remedio reproductivo han caracterizado la estructura interna de las “buenas” células de esperma, bastante exacto; con todo para poder fijar si las células de esperma cumplen con estas consideraciones, una necesitaría químicamente manchar las células, y por ese, las hace inadecuadas para el uso en IVF.

Nuestra técnica olográfica permite que el embryologist tenga toda la información que se requiera para aplicar las consideraciones del WHO, e información mucho más profunda sobre las células de esperma individuales que son observadas, por ejemplo nivel de la fragmentación de la DNA.

Somos incluso mejores ahora que esto, desde nuestra aproximación tomográfica ofrece la adquisición completa de la dinámica de la esperma 3D (y de no apenas una proyección olográfica). El análisis se puede o hacer manualmente por el embryologist o automáticamente, por la computador.

Desde las imágenes 4D de las células de esperma, que son fertilización elegida, ahora se registran (en contraste con la práctica común hoy), y ellas contienen muchos nuevos parámetros, tales como los volúmenes del organelo de la esperma y su dinámica completa 3D, una base de datos de las células de esperma se puede construir, analizado profundamente aprendiendo, y después se utilice para investigar las razones del éxito/de la falla de los pares de fuerzas, que establece una nueva herramienta personalizada del remedio.

¿Por qué es importante que la prueba de la proyección de imagen es segura para el uso en las células de esperma?

Hay directrices reguladoras muy estrictas sobre seguro a los gametos (es decir los huevos y las células de esperma) que se piensa para ser utilizado para crear embriones ines vitro, como sin obstrucción, éstos esperanzadamente giraría en bebés.

¿Por qué la coloración de las células de esperma no se permite en IVF?

Hay diversos tipos de manchas de óxido, con todo, manchando pudo necesitar “matar” a la célula de esperma, rompiéndose la membrana exterior al permeato (es decir penetre) él con el agente de etiqueta determinado e internamente lazo a la molécula del objetivo, que puede ser una proteína en el núcleo, el acrosome, el citoplasma, el etc.

Además, los procedimientos humanos de IVF no permiten típicamente el usar incluso de los tintes fluorescentes para las células de esperma vivas debido al riesgo de dañar el material genético de la esperma.

¿Por qué es la calidad de la esperma tan importante en tratamientos de IVF?

Una mejor selección de la esperma dará lugar a mejores regímenes y resultados de embarazo. Los resultados clínicos se ponen de pie en un nacimiento fuera de aproximadamente seis ciclos de IVF.

Típicamente, todos los huevos son fertilizados por las células de esperma en un tratamiento medio de IVF debido a su pequeño número (alrededor diez huevos), pero la selección individual de la esperma fuera de millones está en el corazón de un tratamiento medio de IVF y tiene un impacto médico, financiero, emocional, social, y carrera-sabio en los pares de fuerzas que intentan convertirse en padres. Cada célula de esperma da lugar a una diversa persona si el embarazo es acertado.

La esperma muy individual que fertilizaría eventual el huevo se cree tener apenas como papel importante en la determinación del destino del embarazo, como el del huevo. La cultura típica del embrión de 3 o 5 días, permitiría solamente una ojeada parcial de la “calidad completa” del embrión y de sus ocasiones de rendir nacimiento.

Hay, de hecho, relativamente las nuevas técnicas que se están empleando como repuesto para la amniocentesis, que típicamente se llama PGD o PGS, con todo ella sería sobre todo adecuada intentar y determinar rasgos genéticos específicos, así que estos progresos no compiten sino se terminan bastante.

También, no queremos hacer frente a una situación en la cual todos los huevos en un ciclo de IVF sean fertilizados por las células de esperma desertadas.

ICSI

Haber de imagen: nobeastsofierce/Shutterstock.com

¿Cómo este método ayudará en perfeccionar los tratamientos futuros de IVF?

Creemos que apenas pues cualquier embryologist utilizaría hoy su microscopio estándar para observar la manera una célula de esperma del candidato nada o está dada forma generalmente, en un futuro no muy lejano, nosotros estaríamos viendo a muchos embryologists el aplicar de la investigación completa de las células de esperma del candidato antes individualmente de inyectarlas en los huevos extraídos.

Fomente abajo del camino, nos preponemos generar una base de datos completa de las imágenes mancha de óxido-libres 3D de la célula de esperma, y así como imágenes del embrión y la información clínica del resultado, y con profundo-aprendiendo metodologías, pavimente el camino para la selección AI-basada los grande-datos de la esperma de la siguiente-generación.

¿Usted cree que su técnica de proyección de imagen podría ayudar en el diagnóstico de los problemas masculinos de la fertilidad?

Uno fuera de seis pares de fuerzas sufre de problemas de la fertilidad. Se cree que 1/3 de todos los casos de la infertilidad es debido solamente al malhechor, 1/3 solamente de los femenino-factores, y se combina el 1/3 restante.

La evaluación clínica si el caso está en uno de estos grupos se llega generalmente, siguiendo algunos pruebas clínicos y de laboratorio rutinarios realizados con los pares de fuerzas incluyendo análisis de la esperma.

Nuestra técnica se basa en la proyección de imagen mancha de óxido-libre única y directa de las células de esperma con un puesto de trabajo nivelado clínico.

En nuestro estudio, intentamos desarrollar totalmente un nuevo tipo de tecnología de la imagen que ofrecería tanta información como sea posible sobre los espermatozoides y habilitaría la selección de espermatozoides óptimos en tratamientos de la fertilización. Según lo explicado arriba, elegimos la tomografía olográfica.

Usando nuestra técnica, creemos que una prueba rápida, barata, y simple puede afirmar o negar estas explicaciones potenciales para la infertilidad.

En nuestro papel de la fertilidad y de la esterilidad, hemos mostrado que podemos hacer tan bueno como el protocolo (WHO) de la Organización Mundial de la Salud para las células de la mancha de óxido, pero sin la coloración. Y esto estaba apenas usando una única proyección olográfica.

He cofundado, así como el CEO Alon Shalev, una compañía nombrada QART médico, que se prevee que traiga esta tecnología a las clínicas en el plazo de los 2 años próximos. En la compañía, construimos varias máquinas clínicas de la proyección de imagen de la esperma, y se prevee que comencemos juicios clínicas pronto.

Ahora, somos incluso mejores puesto que tenemos un método muy rápido de la proyección de imagen 3D para la esperma entera (principal y cola), sin la coloración. Podemos relacionarnos tan la dinámica de la esperma 3D con su morfología y entender los mecanismos en la carrocería de la mujer de la selección de la esperma.

¿Cuáles son los pasos siguientes en su investigación?

Hemos construido varios prototipos de funcionamiento en mi laboratorio para la proyección de imagen olográfica en las fijaciones clínicas, millares reflejados de células de esperma, analizados les, y hemos realizado diversos análisis por los embryologists clínicos experimentados, porque nuestra validación de la técnica (véase las publicaciones abajo).

Queremos poder traer esta tecnología a las clínicas cuanto antes, que permitirán el usar de ella para IVF e ICSI humanos.

Usando nuestra técnica de proyección de imagen reciente 4D, proyecto estudiar los comportamientos dinámicos de la esperma en diversos decorados, para construir un modelo biofísico y biomecánico unificado que conecte la morfología, el movimiento, y los contenidos de la esperma 3D.

También proyecto verificar las capacidades completas de nuestra nueva técnica de proyección de imagen mancha de óxido-libre 4D en descubrir a los diversos detalles morfológicos que no podrían ser descubiertos hasta ahora durante IVF e ICSI y cuantificar su importancia clínica, así como verifico nuestra capacidad de la técnica en la medición del nivel de la fragmentación de la DNA en células de esperma.        

¿Dónde pueden los programas de lectura encontrar más información?

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

Compañía: www.qart-medical.com

Artículos científicos relevantes del específico:

  • G. Dardikman-Yoffe, S.K. Mirsky, I. Barnea, y N.T. Shaked, “adquisición de alta resolución 4-D libremente de nadar las células de esperma humanas sin la coloración,” avances de la ciencia, vol. 6, no. 15, eaay7619, 2020 [pdf, estera supl., vídeo 1, vídeo 2, vídeo 3, vídeo 4, vídeo 5] [eslabón].
  • Y.N. Nygate, M. Levi, S.K. Mirsky, N.A. Turko, M. Rubin, I. Barnea, G. Dardikman-Yoffe, M. Haifler, A. Shalev, y N.T. Shaked, “coloración virtual olográfica de células biológicas individuales,” procedimientos de la National Academy of Sciences los E.E.U.U. (PNAS), 2020 [pdf] [eslabón].
  • M. Haifler, P. Girshovitz, G. Band, G. Dardikman, I. Madjar, y N.T. Shaked, “microscopia interferométrica de la fase para la evaluación morfológica escritura de la etiqueta-libre de las células de esperma,” de la fertilidad y de la esterilidad, vol. 104, entrega 1, págs. 43-47, 2015 [visión].
  • I. Barnea, L. Karako, S.K. Mirsky, M. Levi, M. Balberg, y N.T. Shaked, “correlación interferométrica Mancha de óxido-libre de la microscopia de la fase con la mancha de óxido de la fragmentación de la DNA en espermatozoides humanos,” gorrón de Biophotonics, vol. 11, e201800137, pp.1-10, 2018 [eslabón].
  • P. Jacob Eravuchira, S.K. Mirsky, I. Barnea, M. Levi, M. Balberg, y N.T. Shaked, “selección individual de la esperma por el microfluidics integrado con microscopia interferométrica de la fase,” métodos, vol. 136, págs. 152-159, 2018 [eslabón].
  • S.K. Mirsky, I. Barnea, M. Levi, H. Greenspan, y N.T. Shaked, “análisis automatizado de las células de esperma individuales usando el aprendizaje interferométrico mancha de óxido-libre de la microscopia y de máquina de la fase,” parte A, vol. 91, entrega 9, págs. 893-900, 2017 del Cytometry [eslabón].
  • M. Balberg, M. Levi, K. Kalinowski, I. Barnea, S. Mirsky, y N.T. Shaked, “mediciones localizadas de parámetros físicos dentro de las células de esperma humanas obtenidas con interferometría del ancho-campo,” gorrón de Biophotonics, vol. 10, entrega 10, 1305-1314, 2017 [eslabón].

Sobre profesor Natan Shaked

Profesor Natan T. Shaked es profesor adjunto ejercido y el director de la microscopia, del Nanoscopy y del grupo de investigación ópticos biomédicos de la interferometría (OMNI) (www.eng.ac.il/~omni), un grupo de investigación grande que es una parte del departamento de la ingeniería biomédica y del centro nano de la universidad de Tel Aviv, Tel Aviv, Israel.

Situado en tres espacios del laboratorio, el grupo realiza la investigación multidisciplinaria que implica proyección de imagen óptica y que la detecta en sistemas biológicos. Hasta abril de 2011, profesor Shaked era profesor adjunto que visitaba en el departamento de la ingeniería biomédica en Duke University, Durham, Carolina del Norte, los E.E.U.U.Profesor Natan Shaked

Shaked tiene grados del BSCA, del MSc, y del Ph.D. en eléctrico y ingeniería informática. Profesor Shaked es el co-autor de más de 80 papeles arbitrados y papeles de la conferencia 150, varios del gorrón reservan los capítulos, las patentes, y un libro corregido.

Él está presidiendo la proyección de imagen Escritura de la etiqueta-Libre de SPIE y está detectando el Congreso Anual (LBIS) en el oeste de SPIE Photonics, San Francisco, los E.E.U.U., y el cofundador de QART Medical Ltd (www.qart-medical.com). Profesor Shaked ganó muchas becas de investigación prestigiosas incluyendo la concesión personal de HORIZON2020 ERC, que financió esta investigación.

Citations

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