通过精子细胞成像改进体外受精治疗_试管婴儿成功率_试管婴儿多少钱

面试公司由Emily Henderson, b.s.。
医学新闻采访了纳坦·沙克教授关于他的新的精子细胞成像技术，可以用来帮助改善体外受精治疗的结果。思想领袖Natan shaked教授特拉维夫大学副教授

你为什么选择研究精子细胞和体外受精?

我的学术生涯非常倾向于研究一种新颖但高度实用的生物医学应用3D光学显微成像方式，重点是体外生物细胞的无污渍3D成像。

在这些技术的各种应用领域中，试管婴儿是一个非常突出的领域，人们希望获得关于所观察细胞的“更多”信息，同时最大限度地减少对这些细胞的损害。

作为比较，在典型的病理学中，你可以自由地在生物样本上使用染色化学物质，因为在分析之后，样本要么被丢弃，要么被存档，但永远不会在人体中使用。

什么是体外受精?

在更狭义(更准确)的定义中，传统的试管受精(体外受精)是一种程序，将女性卵子与大量的精子细胞和一些支持性介质一起放置在培养皿中，预计其中一个精子细胞将使卵子受精。

更先进和普遍的IVF类型被称为ICSI(胞浆内精子注射)，因为一些研究表明，直接选择一个精子细胞并将其注射到卵子中，受精的几率更大。这些程序涉及人工生殖技术的一般领域。

你是如何开发出一种安全准确的3D成像方法的Nitor精细胞运动和质量?

我们开发了临床全息装置，可以在不进行大对比度染色的情况下可视化单个生物细胞，并获得比常规染色更多的信息(这在IVF或ICSI中是不允许的)。

全息术利用样品光束与参考光束的光学干涉来记录穿过样品的光的延迟，从而在图像中产生无标记的定量对比度。

通过这种方式，我们记录了包含光学厚度图或细胞的OPD(光程延迟)图的完整样本波前，因此在这个图上的每个点，OPD等于整个细胞厚度的折射率值的积分。

我们用了非常微弱的光束来避免破坏遗传物质。

下图是我在实验室获得的精子细胞图像，展示了亮场显微镜(BFM)提供的定性信息之间的差异，即使使用标记或染色来增强对比度，微分干涉对比显微镜(DIC)是常用的定性相位成像技术之一，全息术或干涉相位显微镜(IPM)，这允许定量测量细胞在其所有点上的光学厚度。

OPD地形图上的值与成像细胞的干质量表面密度成正比，这是迄今为止临床医生尚未获得的细胞参数的一个例子。

用典型的定性显微镜方法和定量的IPM(全息摄影)对相同的精子细胞进行成像，提供OPD地形图，如我的小组所获得的。右边的颜色条表示全息图像的OPD值，单位为nm。BFM =亮场显微镜。DIC =差分干涉造影术，IPM =干涉相位显微镜(全息摄影)。

总的来说，全息术是基于一种成熟的波前传感技术。然而，直到最近，由于其体积庞大，不可携带，并且需要特定的光学技能来校准和使用它，它还不能在诊所实施。

在过去的几年里，我们做出了巨大的努力，并成功地使这些波前传感器能够负担得起，直接用于临床。

我们使用紧凑和便携式模块，可以连接到现有的实验室显微镜，并提供相同的全息数据，甚至更好的质量，相比之下，这些更笨重和昂贵的设置提供的数据。

事实上，使用这些设置，我们已经证明了临床就绪的全息设置可以在不染色的情况下对精子细胞进行极好的对比度成像，具有在不染色的情况下检测精子细胞中的DNA碎片的潜力，以及实际上对它们进行染色，这意味着显示细胞的化学染色(最近的PNAS论文)。

全息术提供的只是一个OPD地形图。它没有细胞内切片的能力，也不能提供x-y-z的3D图像。

为了使完整的3D图像可视化，使用了干涉断层扫描，其中从多个角度收集和处理许多全息投影，以生成3D折射率图。

为了收集多个视角的全息投影，有两种方法:旋转整个样品或扫描照明。

然而，这些方法都不能解决获得高分辨率3D无标签超快速动态细胞成像的问题，就像精子细胞自由游动，因为旋转样品或照明需要时间。

在我们最近的《科学进展》(Science Advances)论文中，我们首次提出了高分辨率干涉断层扫描技术，用于在自由游动期间3D获取整个精子细胞(带有细胞器的头部和尾部)，并且没有细胞染色。

我们获得了精子头部的3D折射率剖面，揭示了其精细的内部细胞器和随时间变化的方向，以及精细胞薄而动态的尾部的详细4D(空间和时间)定位。

精子头部断层扫描是基于精子在自由游动时自然旋转头部的事实，因此它给了我们一种“自由”的可能性来记录它的全息投影。这种方法在完整精子细胞的生物学分析和临床应用中都有很大的潜力，因为它提供了动态3D(或4D)成像。

请看下图。

4D精子图像:未染色的精子细胞自由游动时的3D采集。采集速率:2000帧秒，持续时间:半秒。

精子细胞内部细胞器的可视化，可以通过其折射率(RI)的值来区分。这是在精子游动过程中进行的，而且不会染色。

你的新成像方法比以前在试管婴儿中使用的其他成像技术有什么好处?

关于我们常规的全息技术，卫生组织(世界卫生组织)和生殖医学的临床和科学界已经相当准确地描述了“好”精子细胞的内部结构;但为了评估精子细胞是否符合这些标准，人们需要对细胞进行化学染色，这样就不适合用于体外受精。

我们的全息技术使胚胎学家能够获得应用世卫组织标准所需的所有信息，以及关于所观察到的单个精子细胞的更有洞察力的信息，例如DNA碎片水平。

现在我们甚至比这更好，因为我们的层析成像方法提供了精子3D动态的完整采集(而不仅仅是一个全息投影)。这种分析既可以由胚胎学家手动完成，也可以由计算机自动完成。

由于选择受精的精细胞的4D图像现在被记录下来(与今天的常见做法相反)，并且它们包含许多新的参数，如精子细胞器体积及其全3D动态，可以建立一个精细胞数据库，通过深度学习进行分析，然后用于调查夫妇成功/失败的原因，这建立了一个新的个性化的医疗工具。

为什么是我重要的是，成像测试对精子细胞是安全的?

对于用于制造体外胚胎的配子(即卵子和精子细胞)的安全性有非常严格的监管准则，很明显，这些配子有望变成婴儿。

为什么试管婴儿不允许对精子细胞进行染色?

染色有不同的类型，然而，染色可能需要“杀死”精子细胞，通过打破其外膜，使特定的标记剂渗透(即渗透)它，并在内部与目标分子结合，这可能是细胞核、顶体、细胞质等中的蛋白质。

此外，由于存在破坏精子遗传物质的风险，人类体外受精程序通常甚至不允许对活精子细胞使用荧光染料。

为什么精子的质量这么差在体外受精治疗中重要吗?

更好的精子选择将带来更好的怀孕率和结果。临床结果表明，大约六个试管婴儿周期中只有一个活产。

通常情况下，在平均的体外受精治疗中，所有的卵子都是由精子细胞受精的，因为它们的数量很少(大约10个卵子)，但从数百万个精子中选择单个精子是平均体外受精治疗的核心，对试图成为父母的夫妇有医疗、经济、情感、社会和职业方面的影响。如果怀孕成功，每个精子细胞会产生不同的人。

最终使卵子受精的单个精子被认为在决定怀孕命运方面起着与卵子同样重要的作用。典型的胚胎培养时间为3天或5天，只能部分地了解胚胎的全面“质量”及其活产的机会。

确实，有一些相对较新的技术被用来替代羊膜穿刺术，通常被称为PGD或PGS，但它们大多足以尝试和识别特定的遗传特征，所以这些发展并不竞争，而是相互完善。

此外，我们也不想面对这样一种情况，即体外受精周期中的所有卵子都由有缺陷的精子受精。

图片来源:nobeastsofierce/Shutterstock.com

这种方法将如何帮助改善未来的体外受精治疗?

我们相信，就像今天的任何胚胎学家都会用他的标准显微镜来观察候选精子细胞的游动或一般形状一样，在不久的将来，我们会看到许多胚胎学家在将候选精子细胞单独注射到提取的卵子之前，会对它们进行全面的筛选。

在未来的道路上，我们打算生成一个全面的精子细胞无染色3D图像数据库，以及胚胎图像和临床结果信息，并使用深度学习方法，为下一代基于人工智能的大数据精子选择铺平道路。

你认为你的成像技术可以帮助诊断男性生育问题吗?

每六对夫妇中就有一对有生育问题。据信，所有不孕症病例的1/3完全是由于男性因素，1/3完全是由于女性因素，剩下的1/3是综合因素。

在对夫妇进行包括精子分析在内的一些常规临床和实验室测试之后，通常会对该病例是否属于这些组之一进行临床评估。

我们的技术是基于临床工作站对精子细胞进行独特和直接的无染色成像。

在我们的研究中，我们试图开发一种全新的成像技术，可以提供尽可能多的关于精子的信息，并能够在受精治疗中选择最佳精子。如上所述，我们选择全息断层扫描。

使用我们的技术，我们相信一个快速、廉价和简单的测试可以肯定或否认这些潜在的不孕不育的解释。

在我们的生育和不育论文中，我们已经证明了我们可以像世界卫生组织(WHO)那样对染色细胞进行染色，但不染色。这仅仅是通过一个全息投影。

我和首席执行官Alon Shalev共同创立了一家名为QART Medical的公司，该公司有望在未来两年内将这项技术应用于诊所。在公司，我们制造了几台临床精子成像机，预计很快就会开始临床试验。

现在，我们甚至更好了，因为我们有一种非常快速的3D成像方法，可以对整个精子(头部和尾部)进行扫描，而无需染色。因此，我们可以将精子的三维动态与其形态联系起来，并了解女性体内的精子选择机制。

你研究的下一步是什么?

我们已经在我的实验室中建立了几个用于临床全息成像的工作原型，对数千个精子细胞进行了成像，分析了它们，并由经验丰富的临床胚胎学家进行了各种分析，以验证我们的技术(见下面的出版物)。

我们希望能够尽快将这项技术带到诊所，这将允许将其用于人类体外受精和ICSI。

我计划利用我们最近的4D成像技术，研究精子在各种场景下的动力学行为，以建立一个统一的生物物理和生物力学模型，将精子的三维形态、运动和内容物联系起来。

我还计划检查我们新的无污渍4D成像技术在检测IVF和ICSI中迄今为止无法检测到的各种形态细节方面的全部能力，并量化其临床重要性，以及检查我们在测量精子细胞DNA碎片水平方面的技术能力。

在哪儿读者可以找到更多的信息吗?

研究小组:www.eng.tau.ac.il/~omni

公司:www.qart-medical.com

具体相关科学论文:

G. Dardikman-Yoffe, S. K. Mirsky, I. Barnea和N. T. Shaked，“高分辨率4- d获取自由游动的人类精子细胞而不染色，”科学进展，第6卷，第15期，eaay7619, 2020 [PDF, Supp Mat，视频1，视频2，视频3，视频4，视频5][l .墨水)。
Y. N. Nygate, M. Levi, S. K. Mirsky, N. A. Turko, M. Rubin, I. Barnea, G. Dardikman-Yoffe, M. Haifler, A. Shalev, and N. T. Shaked，“单个生物细胞的全息虚拟染色”，《国家学报》美国科学院(PNAS)， 2020 [PDF] [l]墨水)。
M. Haifler, P. Girshovitz, G. Band, G. Dardikman, I. Madjar，和N. T. Shaked，“无标记形态的干涉相位显微镜“精子细胞的价值评估”，《生育与不育》2015年第1期，第43-47页。
I. Barnea, l. Karako, S. K. Mirsky, M. Levi, M. Balberg，和N. T. Shaked，“无染色干涉相位显微镜与人类精子DNA碎片染色的相关性”，生物光子学杂志，第11卷，e201800137, pp.1-10, 2018 [l]墨水)。
P. Jacob Eravuchira, S. K. Mirsky, I. Barnea, M. Levi, M. Balberg，和N. T. Shaked，“微流体与干涉相位显微镜集成的个体精子选择”，方法，Vol. 136, pp. 152-159, 2018 [l]墨水)。
S. K. Mirsky, I. Barnea, M. Levi, H. Greenspan，和N. T. Shaked，“使用无染色干涉相位显微镜和机器学习对单个精子细胞进行自动化分析”，细胞术A部分，第91卷，第9期，第893-900页，2017 [l]墨水)。
M. Balberg, M. Levi, K. Kalinowski, I. Barnea, S. Mirsky，和N. T. Shaked，“用宽场干涉测量法获得的人类精子细胞内物理参数的局部测量”，生物光子学杂志，第10卷，第10期，1305-1314,2017 [l]墨水)。