Применение омиксных технологий в решении проб­лем репродуктивной медицины

DOI: https://dx.doi.org/10.18565/aig.2018.9.24-32

01.10.2018
144

ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. академика В.И. Кулакова Минздрава России, Москва

Проведен систематический анализ данных, имеющихся в современной литературе, о возможности оценки репродуктивного здоровья по метаболомному, протеомному и транскриптомному профилю половых клеток и эмбриона на ранних стадиях развития с целью усовершенствования протоколов программ вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ). В последние годы пристальное внимание ученых обращено к применению «омиксных» технологий для оценки фертильности организма. Приведены результаты оценки жизнеспособности эмбрионов по метаболомному профилю – анализ содержания углеводов и аминокислот в среде культивирования эмбриона; протеомному профилю – анализ белкового спектра в полости бластоцели, секретома бластоцисты; транскриптомному профилю – исследование малых некодирующих РНК во время оогенеза, сперматогенеза и раннего эмбрионального развития. Результаты проводимых исследований подтверждают перспективность и актуальность анализа белкового, метаболомного и транскриптомного профилей как бластоцели, так и культуральной жидкости бластоцисты для создания молекулярного портрета эмбрионов с различными морфометрическими показателями и для разработки диагностических и прогностических тест-систем по оценке жизнеспособности эмбриона и его имплантационного потенциала в рамках проведения программ ВРТ.

В настоящее время значительное число браков является бесплодными и их количество с каждым годом растет. При лечении различных видов бесплодия широкое распространение получили вспомогательные репродуктивные технологии (ВРТ), так как по сравнению с другими доступными методами лечения бесплодия ВРТ наиболее эффективны и имеют высокие показатели наступления беременности и рождения живых детей. Тем не менее, лишь 32,3% циклов ВРТ, проведенных впервые у женщин до 37 лет, заканчиваются рождением здорового ребенка. Частота рождения ребенка у пациенток старшего репродуктивного возраста в первом цикле ЭКО не превышает 12,3% [1].

Помимо правильно подобранной схемы стимуляции, положительный результат в программах ВРТ зависит от качества переносимого эмбриона и рецептивности эндометрия [2]. Имплантация эмбриона в эндометрий – многоэтапный процесс, опосредованный многоуровневой регуляцией внутри- и межклеточных взаимодействий, необходимой для дальнейшего развития бластоцисты, распознавания беременности и адаптации к ней организма матери.

Несмотря на то, что наступление беременности в программах ВРТ зависит от многих факторов, выбор наиболее качественного и жизнеспособного эмбриона для переноса в полость матки – одна из наиболее важных задач. Селекция эмбрионов с наибольшим имплантационным потенциалом, как правило, производится на основании визуальной оценки их морфологических свойств. Оценка морфологических параметров подразумевает измерение размера эмбриона, изучение его внутренней клеточной массы и трофэктодермы. Однако не все эмбрионы «хорошего» морфологического качества успешно имплантируются, в связи с чем возникает необходимость внедрения дополнительных неинвазивных технологий селективного выбора эмбриона с высоким имплантационным потенциалом [3]. Безусловно, нарушения имплантации могут быть связаны не только с «эмбриональными», но и с «материнскими» факторами. Материнские факторы включают анатомические аномалии матки (3,5% женщин, страдающих бесплодием), тромбофилию (20% женщин, страдающих бесплодием), нарушение рецептивности эндометрия (10–15% случаев бесплодия) и иммунологические факторы (5–15% случаев бесплодия в паре) [4].

За последние годы было изучено значительное число потенциальных биомаркеров качества эмбрионов и их имплантационной способности. Достаточно многообещающим методом выступает предимплантационный генетический скрининг (ПГС), но он остается дорогим и инвазивным. Поэтому продолжается поиск маркеров, которые дополнят общепринятый стандарт оценки качества эмбриона и его имплантационного потенциала. Основными требованиями, предъявляемыми к потенциальным маркерам, являются возможность оценки качества эмбриона без инвазивных вмешательств, четкие и воспроизводимые количественные характеристики, применимость в рутинной клинической практике [5].

Способы оценки качества эмбрионов в рутинной клинической практике

Жизнеспособность эмбрионов при культивировании зависит от трех ключевых параметров: температуры, рН и осмолярности культуральной среды. Развитие до стадии бластоцисты не обязательно происходит по строго определенному графику. Было показано, что скорость развития эмбриона коррелирует с его способностью к свободному выходу из прозрачной оболочки. Независимо от особенностей среды, в которой протекало развитие эмбриона, в идеале через 120 ч (на 5-й день) здоровый человеческий эмбрион должен достичь стадии бластоцисты. Развитие эмбриона на ранних стадиях обеспечивается благодаря трансляции материнских мРНК, происходящих из яйцеклетки. Собственный геном эмбриона человека активируется через несколько дней после оплодотворения. На 5 день своего развития эмбрион должен состоять из 50–200 клеток, 20–30% которых приходится на внутреннюю клеточную массу, а 70% – на трофобласт. В соответствии с рекомендациями Стамбульского Консенсуса, качественная оценка эмбрионов должна включать в себя морфокинетические характеристики и плоидность. В рутинной клинической практике для оценки качества эмбриона применяются морфологические критерии Gardner и соавт. (таблица) [6]. Данные критерии включают в себя оценку внутренней клеточной массы, трофэктодермального слоя, прозрачной оболочки, а также скорость развития бластоцисты.

Согласно классификации Gardner и соавт. цифрой обозначена степень зрелости бластоцисты:

  • 1-я степень – ранняя бластоциста, полость бластоцисты меньше половины объема эмбриона;
  • 2-я степень – полость бластоцисты больше половины объема эмбриона;
  • 3-я степень – полная бластоциста, полость полностью занимает объем эмбриона;
  • 4-я степень – расширенная бластоциста, полость бластоцисты становится больше и начинает истончаться прозрачная оболочка;
  • 5-я степень – трофэктодерма начинает проникать через прозрачную оболочку;
  • 6-я степень — вылупившаяся бластоциста, покинувшая zona pellucida (ZP).

Первая б...

Список литературы

1. Kupka M.S., Ferraretti A.P., de Mouzon J., Erb K., D’Hooghe T., Castilla J.A. et al.; European IVF-Monitoring Consortium, for the European Society of Human Reproduction and Embryology. Assisted reproductive technology in Europe, 2010: results generated from European registers by ESHRE. Hum. Reprod. 2014; 29(10): 2099-113.

2. Кузьмичев Л.Н., Смольникова В.Ю., Калинина Е.А., Дюжева Е.В. Принципы комплексной оценки и подготовки эндометрия у пациенток программ вспомогательных репродуктивных технологий. Акушерство и гинекология. 2010; 5: 32-6.

3. Смольникова В.Ю., Калинина Е.А., Краснощока О.Е, Донников А.Е., Бурменская О.В., Трофимов Д.Ю., Сухих Г.Т. Возможности неинвазивной оценки состояния ооцита и эмбриона при проведении программ ВРТ по профилю экспрессии мРНК факторов роста в фолликулярной жидкости. Акушерство и гинекология. 2014; 9: 36-43.

4. Bhattacharya S., Johnson N., Tijani H.A., Hart R., Pandey S., Gibreel A.F. Female infertility. BMJ Clin. Evid. 2010; 2010. pii: 0819.

5. Harton G., Munne S., Surrey M., Grifo J., Kaplan B., McCulloh D. et al. Diminished effect of maternal age on implantation after preimplantation genetic diagnosis with array comparative genomic hybridization. Fertil. Steril. 2013; 100(6): 1695-703.

6. Gardner D., Schoolcraft W. In-vitro culture of human blastocyst. Towards reproductive certainty: fertility and genetics beyond. Carnforth: Parthenon Publ.; 1999: 378-88.

7. Gardner D., Balaban B. Assessment of human embryo development using morphological criteria in an era of time-lapse, algorithms and ‘OMICS’: is looking good still important? Mol. Hum. Reprod. 2016;22(10): 704-18.

8. Egea R., Puchalt N., Escrivá M., Varghese A. OMICS: Current and future perspectives in reproductive medicine and technology. J. Hum. Reprod. Sci. 2014; 7: 73-92.

9. Varghese A., Goldberg E., Bhattacharyya A., Agarwal A. Emerging technologies for the molecular study of infertility, and potential clinical applications. Reprod. Biomed. Online. 2007; 15(4): 451-6.

10. Gardner D., Lane M., Stevens J., Schoolcraft W. Noninvasive assessment of human embryo nutrient consumption as a measure of developmental potential. Fertil. Steril. 2001; 76(6): 1175-80.

11. Renard J., Philippon A., Menezo Y. In-vitro uptake of glucose by bovine blastocysts. J. Reprod. Fertil. 1980; 58(1): 161-4.

12. Gardner D., Wale P., Collins R., Lane M. Glucose consumption of single post-compaction human embryos is predictive of embryo sex and live birth outcome. Hum. Reprod. 2011; 26(8): 1981-6.

13. Crosby I., Gandolfi F., Moor R. Control of protein synthesis during early cleavage of sheep embryos. J. Reprod. Fertil. 1988; 82(2):769-75.

14. Edwards L., Williams D., Gardner D. Intracellular pH of the mouse preimplantation embryo: amino acids act as buffers of intracellular pH. Hum. Reprod. 1998; 13(12): 3441-8.

15. Liu Z., Foote R. Development of bovine embryos in KSOM with added superoxide dismutase and taurine and with five and twenty percent O2. Biol. Reprod. 1995; 53(4): 786-90.

16. Devreker F., Hardy K., Van den Bergh M., Vannin A., Emiliani S., Englert Y. Amino acids promote human blastocyst development in vitro. Hum. Reprod. 2001; 16(4): 749-56.

17. Lane M., Gardner D. Nonessential amino acids and glutamine decrease the time of the first three cleavage divisions and increase compaction of mouse zygotes in vitro. J. Assist. Reprod. Genet. 1997; 14(7): 398-403.

18. Houghton F., Hawkhead J., Humpherson P., Hogg J., Balen A., Rutherford A., Leese H.J. Non-invasive amino acid turnover predicts human embryo developmental capacity. Hum. Reprod. 2002; 17(4): 999-1005.

19. Katz-Jaffe M., Linck D., Schoolcraft W., Gardner D. A proteomic analysis of mammalian preimplantation embryonic development. Reproduction. 2005; 130(6): 899-905.

20. Poli M., Ori A., Child T., Jaroudi S., Spath K., Beck M., Wells D. Characterization and quantification of proteins secreted by single human embryos prior to implantation. EMBO Mol. Med. 2015; 7(11): 1465-79.

21. Tedeschi G., Albani E., Borroni M., Parini V., Brucculeri A., Maffioli E. Proteomic profile of maternal-aged blastocoel fluid suggests a novel role for ubiquitin system in blastocyst quality. J. Assist. Reprod. Genet. 2017; 34(2): 225-38.

22. Jensen P., Beck H., Petersen J., Hreinsson J., Wanggren K., Laursen S. et al. Proteomic analysis of human blastocoel fluid and blastocyst cells. Stem Cells Dev. 2013; 22(7): 1126-35.

23. Dominguez F., Pellicer A., Simón C. The human embryo proteome. Reprod. Sci. 2009; 16(2): 188-90.

24. Sturmey R., Bermejo-Alvarez P., Gutierrez-Adan A., Rizos D., Leese H., Lonergan P. Amino acid metabolism of bovine blastocysts: a biomarker of sex and viability. Mol. Reprod. Dev. 2010; 77(3): 285-96.

25. Seidler E., Gemani D., Ocalii O., Sakkas D. Utilization of a novel ultrasensitive digital immunoassay platform to measure interleukin-6 in blastocyst culture media. Fertil. Steril. 2017; 107(3, Suppl.): e16.

26. Suh N., Baehner L., Moltzahn F., Melton C., Shenoy A., Chen J., Blelloch R. Micro RNA function is globally suppressed in mouse oocytes and early embryos. Curr. Biol. 2012; 20(3): 271-7.

27. Chua J., Armugam A., Jeyaseelan K. MicroRNAs: biogenesis, function and applications. Curr. Opin. Mol. Ther. 2009; 11(2): 189-99.

28. Song R., Hennig G., Wu Q., Jose C., Zheng H., Yan W. Male germ cells express abundant endogenous siRNAs. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011; 108(32):13159-64.

29. Houwing S., Kamminga L., Berezikov E., Cronembold D., Girard A., Elst H. et al. A role for Piwi and piRNAs in germ cell maintenance and transposon silencing in Zebrafish. Cell. 2007; 129(1): 69-82.

30. Girard A., Sachidanandam R., Hannon G., Carmell M. A germline-specific class of small RNAs binds mammalian Piwi proteins. Nature. 2006; 442(7099): 199-202.

31. Hirakata S., Siomi M. piRNA biogenesis in the germline: From transcription of piRNA genomic sources to piRNA maturation. Biochim. Biophys. Acta. 2016; 1859(1): 82-92.

32. Abd E., Naby W., Hagos T. Expression analysis of regulatory microRNAs in bovine cumulus oocyte complex and preimplantation embryos. Zygote. 2013;21(1): 31-51.

33. Wright E., Hale B., Yang C., Njoka J., Ross J. MicroRNA-21 and PDCD4 expression during in vitro oocyte maturation in pigs. Reprod. Biol. Endocrinol. 2016;14: 21.

34. Watanabe T., Totoki Y., Toyoda A., Kaneda M., Kuramochi-Miyagawa S., Obata Y. et al. Endogenous siRNAs from naturally formed dsRNAs regulate transcripts in mouse oocytes. Nature. 2008; 453(7194): 539-43.

35. Tang F., Kaneda M., O’Carroll D., Hajkova P., Barton S.C., Sun Y.A. et al. Maternal microRNAs are essential for mouse zygotic development. Genes Dev. 2007; 21(6): 644-8.

36. Roovers E.F., Rosenkranz D., Mahdipour M., Han C.T., He N., Chuva de Sousa Lopes S.M. et al. Piwi proteins and piRNAs in mammalian oocytes and early embryos. Cell Rep. 2015; 10(12): 2069-82.

37. Ketting R. The many faces of RNAi. Dev. Cell. 2011; 20(2): 148-61.

38. De Mateo S., Sassone-Corsi P. Regulation of spermatogenesis by small non-coding RNAs: role of the germ granule. Semin. Cell Dev. Biol. 2014; 29: 84-92.

39. Tong M., Mitchell D., Evanoff R., Griswold M. Expression of Mirlet7 family microRNAs in response to retinoic acid-induced spermatogonial differentiation in mice. Biol. Reprod. 2011; 85(1): 189-97.

40. Marcon E., Babak T., Chua G., Hughes T., Moens P. miRNA and piRNA localization in the male mammalian meiotic nucleus. Chromosome Res. 2008; 16(2): 243-60.

41. Liang X., Zhou D., Wei C., Luo H., Liu J., Fu R., Cui S. MicroRNA-34c enhances murine male germ cell apoptosis through targeting ATF1. PLoS One. 2012; 7(3): e33861.

42. Yu Z., Raabe T., Hecht N. MicroRNA MiR-122a reduces expression of the posttranscriptionally regulated germ cell transition protein 2 (Tnp2) messenger RNA (mRNA) by mRNA cleavage. Biol. Reprod. 2005; 73(3): 427-33.

43. Dai L., Tsai-Morris C., Sato H., Villar J., Kang J., Zhang J., Dufau M. Testis-specific miRNA-469 up-regulated in gonadotropin-regulated testicular RNA helicase (GRTH/DDX25)-null mice silences transition protein 2 and protamine 2 messages at sites within coding region: implications of its role in germ cell development. J. Biol. Chem. 2011; 286(52):44306-18.

44. Beyret E., Liu N., Lin H. piRNA biogenesis during adult spermatogenesis in mice is independent of the ping-pong mechanism Cell Res. 2012; 22(10): 1429-39.

45. Vourekas A., Zheng Q., Alexiou P., Maragkakis M., Kirino Y., Gregory B.D., Mourelatos Z. Mili and Miwi target RNA repertoire reveals piRNA biogenesis and function of Miwi in spermiogenesis. Nat. Struct. Mol. Biol. 2012; 19(8): 773-81.

46. Luo L., Hou C., Yang W. Small non-coding RNAs and their associated proteins in spermatogenesis. Gene. 2016; 578(2): 141-57.

47. Siomi M., Sato K., Pezic D., Aravin A. PIWI-interacting small RNAs: the vanguard of genome defence. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2011; 12(4): 246-58.

48. Tadros W., Goldman A.L., Babak T., Menzies F., Vardy L., Orr-Weaver T. et al. SMAUG is a major regulator of maternal mRNA destabilization in Drosophila and its translation is activated by the PAN GU kinase. Dev. Cell. 2007; 12(1): 143-55.

49. Mei Y., Wang Y., Kumari P., Shetty A.C., Clark D., Gable T. et al. A piRNA-like small RNA interacts with and modulates p-ERM proteins in human somatic cells. Nat. Commun. 2015; 6: 7316.

50. Giraldez A., Mishima Y., Rihel J., Grocock R., Van Dongen S., Inoue K. et al. Zebrafish MiR-430 promotes deadenylation and clearance of maternal mRNAs. Science. 2006; 312(5770): 75-9.

51. Svoboda P., Flemr M. The role of miRNAs and endogenous siRNAs in maternal-to-zygotic reprogramming and the establishment of pluripotency. EMBO Rep. 2010; 11(8): 590-7.

52. Han B., Wang W., Li C., Weng Z., Zamore P. PiRNA-guided transposon cleavage initiates Zucchini-dependent, phased piRNA production”. Science. 2015; 348(6236): 817-21.

53. Franasiak J., Forman E., Hong K., Werner M., Upham K., Treff N., Scott R. The nature of aneuploidy with increasing age of the female partner: a review of 15,169 consecutive trophectoderm biopsies evaluated with comprehensive chromosomal screening. Fertil. Steril. 2014; 101(3): 656-63. e1.

54. Rosenbluth E., Shelton D., Sparks A., Devor E., Christenson L., Van Voorhis B. MicroRNA expression in the human blastocyst. Fertil. Steril. 2013; 99(3): 855-61. e3.

55. Capalbo A., Ubaldi F.M., Rienzi L., Scott R., Treff N. Detecting mosaicism in trophectoderm biopsies: current challenges and future possibilities. Hum. Reprod. 2017; 32(3): 492-8.

56. Noli L., Capalbo A., Dajani Y., Cimadomo D., Bvumbe J., Rienzi L. et al. Human embryos created by embryo splitting secrete significantly lower levels of miRNA-30c. Stem Cells Dev. 2016; 25(24): 1853-62.

57. Viswanathan S.R., Mermel C.H., Lu J., Lu C.W., Golub T.R., Daley G.Q. microRNA expression during trophectoderm specification. PLoS One. 2009; 4(7): e6143.

Поступила 13.02.2018

Принята в печать 02.03.2018

Об авторах / Для корреспонденции

Драпкина Юлия Сергеевна, аспирант отделения вспомогательных репродуктивных технологий в лечении бесплодия им. профессора Б.В. Леонова ФГБУ НМИЦ АГП им. академика В.И. Кулакова Минздрава России.
Адрес: 117997, Россия, Москва, ул. Академика Опарина, д. 4. Телефон: 8 (916) 950-07-45. E-mail: julia.drapkina@gmail.com
Тимофеева Анжелика Владимировна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной транскриптомики отдела системной биологии в репродукции ФГБУ НМИЦ АГП им. академика В.И. Кулакова Минздрава России.
Адрес: 117997, Россия, Москва, ул. Академика Опарина, д. 4. Телефон: 8 (495) 438-13-41. E-mail: avtimofeeva28@gmail.com
Чаговец Виталий Викторович, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник лаборатории протеомики и метаболомики репродукции человека отдела системной биологии
в репродукции ФГБУ НМИЦ АГП им. академика В.И. Кулакова Минздрава России.
Адрес: 117997, Россия, Москва, ул. Академика Опарина, д. 4. Телефон: 8 (926) 562-65-90. E-mail: vvchagovets@gmail.com
Кононихин Алексей Сергеевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории протеомики и метаболомики репродукции человека отдела системной биологии в репродукции ФГБУ НМИЦ АГП им. академика В.И. Кулакова Минздрава России.
Адрес: 117997, Россия, Москва, ул. Академика Опарина, д. 4. Телефон: 8 (499) 137-82-58. E-mail: konoleha@yandex.ru
Франкевич Владимир Евгеньевич, к. ф.-м.н., зав. отделом системной биологии в репродукции ФГБУ НМИЦ АГП им. академика В.И. Кулакова Минздрава России.
Адрес: 117997, Россия, Москва, ул. Академика Опарина, д. 4. Телефон: 8 (495) 438-07-88 E-mail: v_frankevich@oparina4.ru
Калинина Елена Анатольевна, д.м.н., доцент, зав. отделением вспомогательных репродуктивных технологий в лечении бесплодия им. профессора Б.В. Леонова
ФГБУ НМИЦ АГП им. академика В.И. Кулакова Минздрава России.
Адрес: 117997, Россия, Москва, ул. Академика Опарина, д. 4. Телефон: 8 (495) 438-13-41. E-mail: e_kalinina@oparina4.ru

Для цитирования: Драпкина Ю.С., Тимофеева А.В., Чаговец В.В., Кононихин А.С., Франкевич В.Е., Калинина Е.А. Применение омиксных технологий в решении проблем репродуктивной медицины. Акушерство и гинекология. 2018; 9: 24-32.
https://dx.doi.org/10.18565/aig.2018.9.24-32

Полный текст публикаций доступен только подписчикам

Нет комментариев

Комментариев: 0

Вы не можете оставлять комментарии
Пожалуйста, авторизуйтесь