代谢组学预测胚胎发育潜能的研究进展

代谢组学预测胚胎发育潜能的研究进展

作者：朱云珊霍鹏左晓旭张顺

来源：《中国医学创新》2016年第35期

【摘要】保证辅助生殖技术治疗成功的一个关键步骤是客观评估胚胎的发育潜力，以确保挑选最具着床潜力的植入前胚胎用于移植。目前所使用的胚胎评估方法很大程度上基于胚胎的形态，虽然这种方法能保证可观的妊娠率，降低了多胎妊娠率，但是其精确度仍不高。因此，建立一种客观、准确、快速评估卵母细胞和胚胎发育潜能的评估方法极为重要。代谢组学作为新兴的技术手段在胚胎评估的应用上有着较大的潜力。本文主要对胚胎的代谢组学研究进行概述，包括胚胎培养基中葡萄糖、乳酸、丙酮酸、氨基酸、氧耗量等代谢情况，同时也概述了光学光谱和非光学光谱的代谢组学技术分析胚胎培养基谱对于评估胚胎的意义和建立模型的可行性，为当前胚胎评估方法提供可行的补充。

【关键词】胚胎发育；评估；代谢；培养液

Research Progress on Metabonomics in the Analysis of Embryo Development Potential/ZHU Yun-shan，HUO Peng，ZUO Xiao-xu，et al.//Medical Innovation of China，2016，13（35）：135-138

【Abstract】 A key step in assisted reproduction is the assessment of embryo developmental potential in order to determine the embryo most likely to result in pregnancy.Currently used embryo assessment strategies are largely based on embryo morphology.Although these systems have been successful in improving pregnancy rates and reducing multiple gestations，their precision is still insufficient.Therefore，development of an objective，accurate，fast and affordable test that can aid in the assessment of embryo developmental potential is a significant aim of reproductive medicine.Metabonomics as a novel technology has great potential in the application of embryo assessment，this article mainly summarized the research of metabolomics on embryo，and these include the measurement of glucose，lactate，pyruvate or amino acid levels in the embryo culture media，assessment of oxygen consumption by the embryo.Recent studies suggest that metabolomic profiling of embryo culture media using optical and non-optical spectroscopies may provide a useful adjunct to the current embryo assessment strategies and provide insight into the phenotype of embryos with increasing reproductive potential.

【Key words】 Embryonic development； Assessment； Metabolism； Culture medium

First-author’s address：Affiliated Hospital of Guilin Medical College，Guilin 541001，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.35.033

近年来不孕症的高发病率，使得通过辅助生殖技术——体外受精-胚胎移植（in vitro fertilization and embryo transfer，IVF-ET）获得子代成为很多不孕家庭的选择。过去十年美国使用IVF-ET技术治疗不孕症增加了40%，在欧洲经过IVF-ET出生的婴儿总数占所有出生婴儿的比例高达3%。而在中国，2015年国家卫计委统计数据表明经批准开展人类辅助生殖技术和设置人类精子库的432所医疗机构共完成了70万例治疗，但是海量治疗背后的安全问题更是不容小觑，其中为了保证可观的妊娠率，各辅助生殖从业单位在政策制定的允许范围内增加移植胚胎的数目，使得多胎妊娠率高达30%以上[1-2]。而多胎妊娠的母婴并发症发生率较单胎妊娠高出数倍，如妊娠期高血压疾病、胎儿宫内发育迟缓、低体重儿、流产、早产及胎膜早破、胎先露、胎位异常、胎儿畸形、双胎输血综合征、胎盘早剥、羊水过多、羊水栓塞、宫缩乏力、产后大出血及贫血等并发症随胎儿数增加而增多，妊娠期亦短。此外，有研究显示相对于单胎，双胎严重残疾的危险升高了2倍，三胎则升高了3倍[3]。

限制胚胎移植数量的管理法规在许多国家开始生效[4-5]，国内也有一些生殖医学中心在逐步的开展单胚胎移植，该项技术的核心要求就是如何挑选出一个最具发育潜力的胚胎用于移植，传统的胚胎评级——基于形态学特征的评估[6]，而在临床应用中，形态评估法存在诸多缺陷，如评估指标精度不够、受评估者主观经验影响较大、与胚胎质量不是绝对关联等，因此需要一种更为可靠的、能反应胚胎真实着床能力的评估方法，为实施单胚胎移植，有效降低多胎妊娠率奠定胚胎评估与挑选的基础[7]。

近年来诸多研究者将焦点聚集在胚胎代谢液方面，并取得不错的结论。代谢主要研究的是一系列小分子化合物，包括激素、信号转导分子和生化样品中的次代谢产物，它们为探索基因表达与环境之间的关系提供了很有价值的资料，已成为生物医学的有力工具。尤其是在辅助生殖技术中，使用培养基中得到的代谢数据，预测胚胎发育潜力，有着较为广阔的应用前景[8]。胚胎培养液作为胚胎生长发育的环境，能够为胚胎提供水、离子、能量物质、氨基酸、维生素、核酸前体、蛋白质、生长因子激素、缓冲系统，商品化的胚胎培养液各成分均为已知，在胚胎培养过程中，理论上在胚胎发育的关键节点选取目标代谢物的变化能够反应胚胎的代谢能力、发育潜能以及着床能力，故培养液的成分能够作为胚胎质量的生物标记。

1 胚胎发育代谢组学

1.1 能量代谢能量的产生与利用是细胞生存与发展的基础，糖是胚胎培养液中主要的能源物质，在胚胎发育的过程中糖主要以糖酵解途径（GP）、己糖胺生物合成途径（HBP）和磷酸戊糖途径（PPP）等代谢途径发挥作用。因此，通过检测胚胎培养液中糖的吸收量和糖代谢源可以作为预测胚胎发育潜能的重要标记。早在上世纪九十年代，通过代谢分析发现胚胎的能量提供由羧酸向葡萄糖转变是胚胎继续向下一步发育的关键步骤，而这一转折发生在胚胎致密化阶段[9]，在绵羊、猪、牛、大鼠和小鼠等哺乳动物的胚胎阶段的能量代谢研究表明，在桑葚胚形成之前，胚胎发育所需要的能量主要由丙酮酸和乳酸提供，而随后的发育过程，葡萄糖的消耗量逐步增加，而羧酸的代谢大幅下降[10]。不同的代谢要求和代谢特征由胚胎在发育过程中所处的位置决定，正常受精后的胚胎经由输卵管运输到子宫后植入，而输卵管和子宫的生理环境有着巨大的差别，因此不同阶段的能量代谢特征能反应胚胎的发育潜能[11]。在IVF-ET