研究簡介:介紹了一種新型的非侵入式、高靈敏度微傳感器系統，用于測量牛體外生產胚胎的呼吸速率，并探討其與胚胎形態、直徑、性別及發育階段的相關性。傳統胚胎質量評估主要依賴形態學評價，但這種方法主觀性強且難以準確判斷中等質量胚胎的發育潛力。因此本研究旨在開發一種更客觀、準確的胚胎質量評估方法。研究使用了第3天的8細胞期胚胎和第7天的囊胚期胚胎，通過新型微傳感器系統測量其呼吸速率。該系統基于微型氧氣傳感器，通過檢測胚胎在玻璃毛細管中產生的線性穩態氧氣梯度來計算呼吸速率。實驗結果表明，第7天囊胚的平均呼吸速率顯著高于第3天胚胎，且呼吸速率與胚胎直徑呈正相關。此外第7天囊胚的呼吸速率與其質量等級相關，質量等級為1的囊胚呼吸速率最高，而不同性別的胚胎呼吸速率無顯著差異。本研究提供了一種快速、準確且非侵入式的胚胎呼吸速率測量方法，能夠在短時間內完成單個胚胎的代謝活動評估。呼吸速率作為一種客觀的代謝指標，與胚胎形態學評估相結合，有望進一步提高胚胎分類和選擇的準確性，從而為胚胎移植的成功率提供更可靠的預測依據。未來的研究將進一步驗證呼吸速率在胚胎發育潛能評估中的應用價值，并探索其在動物胚胎生產和人類輔助生殖技術中的潛在應用。


Unisense超微呼吸極系統的應用


Unisense超呼吸測量系統發揮了至關重要的作用，它為研究者提供了一種高靈敏度、非侵入式且快速準確的手段來測量牛體外生產胚胎的呼吸速率。Unisense超系統的核心是一個微型氧氣傳感器（OX50），其尖端直徑僅為40–60μm。這種微型化設計使得傳感器能夠精確地測量微小空間內的氧氣濃度變化。傳感器的響應時間小于5秒，且自身氧氣消耗可以忽略不計，這確保了測量結果的高精度和可靠性。Unisense系統通過將胚胎放置在玻璃毛細管底部，利用傳感器測量毛細管內的氧氣濃度梯度，從而實現了非侵入式測量。這種方法不會對胚胎造成損傷，也不會干擾胚胎的正常發育。在短時間內完成對單個胚胎的呼吸速率測量。在本研究中，每個胚胎的測量過程僅需約8分鐘，這使得研究者能夠在短時間內對大量胚胎進行測量。此外本系統的設計允許同時測量多個胚胎，進一步提高了實驗效率。


實驗結果


驗證了一種新型高分辨率微電極技術，用于測定不同發育階段單個胚胎的呼吸速率。我們利用該技術研究了呼吸速率與胚胎形態、直徑和性別之間的相關性。研究表明，第7天的囊胚期胚胎的平均呼吸速率（1.30±0.064 nl/h）顯著高于第3天的8細胞期胚胎（0.38±0.011 nl/h），表明隨著胚胎發育，其代謝活動顯著增強。這種差異反映了胚胎在不同發育階段的能量需求變化。對于第7天的囊胚，質量等級為1的胚胎呼吸速率顯著高于其他質量等級的胚胎。具體而言，質量等級為1的胚胎呼吸速率為1.72±0.18 nl/h，而質量等級為2、3和4的胚胎呼吸速率分別為1.23±0.14 nl/h、1.07±0.14 nl/h和0.81±0.22 nl/h。這表明呼吸速率與胚胎質量呈正相關，高質量胚胎通常具有更高的呼吸速率。胚胎的呼吸速率與其直徑直接相關，直徑較大的胚胎具有更高的呼吸速率。這種關系可能與胚胎的代謝需求和能量消耗有關，較大的胚胎需要更多的氧氣來維持其代謝活動。在第3天和第7天的胚胎中，呼吸速率在不同性別的胚胎之間沒有顯著差異。這表明性別對胚胎的呼吸速率影響較小，呼吸速率主要與胚胎的發育階段和質量相關。呼吸速率作為一種客觀的代謝指標，可以與傳統的形態學評估相結合，進一步提高胚胎分類和選擇的準確性。這種結合評估方法有望為胚胎移植的成功率提供更可靠的預測依據，減少失敗妊娠和多胎妊娠的風險。結果表明，unisense超微呼吸系統可用于準確、快速(8分鐘)測量不同發育階段單個胚胎的呼吸速率。呼吸速率與胚胎形態只有部分吻合，這表明這兩種方法在評估胚胎質量方面略有差異。對胚胎呼吸和形態進行綜合評估可能會改進胚胎分類和后續篩選工作。

圖1、完整的超微呼吸系統。溫控水浴通過兩根硅膠管(圖中未顯示)與玻璃培養室中的加熱螺旋進一步連接。MMS；微機械手系統。

圖2、(A)帶有胚胎的單根花環毛細管示意圖，(B)從上往下看組成“花環”的七根熔融玻璃毛細管，(C)納米吸氣裝置。花環安裝在中央花環盤中，可以旋轉花環盤，使另一根毛細管與電極對齊。圓盤上的數字用于跟蹤正在研究的毛細管。電極位于毛細管上方。承載圓盤的聚砜圓筒和左側的桿是圓盤支架，測量時將其浸入裝有介質的燒杯中。

圖3、由5個第7天胚泡的呼吸速率產生的氧梯度記錄。對照梯度相當于空毛細管中的測量值，作為負參考(=無呼吸活動)。每個梯度的斜率針對每個胚胎。

圖4、對同一胚胎進行的第一次和第二次氧氣測量之間的關系，測量間隔為76±8分鐘。

圖5、呼吸速率與第7天體外生產的牛囊胚直徑之間的關系。


結論與展望


本研究通過引入一種新型的高分辨率微傳感器測試系統，成功實現了對牛體外生產胚胎呼吸速率的非侵入式、快速且準確的測量。研究結果表明，呼吸速率可以作為一種有效的胚胎質量評估指標，尤其是在結合傳統形態學評估時，能夠進一步提高胚胎分類和選擇的準確性。unisense超微呼吸系統具有高精度、高重復性和非侵入性的特點。實驗結果表明，兩次測量的呼吸速率高度一致（R2=0.9705），且系統在空毛細管中的氧氣消耗極低（0.034±0.055 nl/h），表明系統具有極低的背景干擾和測量誤差。研究結果表明，胚胎的呼吸速率與其發育階段、形態學質量以及直徑密切相關。通過使用新型微傳感器系統成功測量了牛體外生產胚胎的呼吸速率，并驗證了其在胚胎質量評估中的潛在應用價值。這種技術為胚胎評估提供了一種新的、客觀的手段，有望推動胚胎評估技術向更加科學、精準的方向發展。