Summary

Kromosomscreening av humane preimplantasjonsembryoer ved bruk av brukt kulturmedium: prøveinnsamling og kromosomal ploidianalyse

Published: September 07, 2021
doi:

Summary

Denne studien rapporterer en protokoll for kromosomscreening av humane embryoer som bruker brukt kulturmedium, som unngår embryobiopsi og muliggjør kromosomploidiidentifikasjon ved hjelp av NGS. Denne artikkelen presenterer den detaljerte prosedyren, inkludert utarbeidelse av kulturmedium, hele genomamplifikasjon (WGA), neste generasjons sekvensering (NGS) bibliotekforberedelse og dataanalyse.

Abstract

Ved klinisk in vitro-fertilisering (IVF) krever den rådende metoden for PGT-A biopsi av noen få celler fra trophektoderm (TE). Dette er linjen som danner morkaken. Denne metoden krever imidlertid spesialiserte ferdigheter, er invasiv og lider av falske positive og negative fordi kromosomtallene i TE og den indre cellemassen (ICM), som utvikler seg til fosteret, ikke alltid er de samme. NICS, en teknologi som krever sekvensering av DNA som slippes ut i kulturmediet fra både TE og ICM, kan tilby en vei ut til disse problemene, men har tidligere vist seg å ha begrenset effekt. Den nåværende studien rapporterer hele protokollen til NICS, som inkluderer prøvetakingsmetoder for kulturmedium, helgenomamplifisering (WGA) og bibliotekforberedelse, og NGS-dataanalyse ved analyseprogramvare. Tatt i betraktning de forskjellige kryokonserveringstidene i forskjellige embryolaboratorier, har embryologer to metoder for å samle embryokulturmedium som kan velges i henhold til de faktiske forholdene i IVF-laboratoriet.

Introduction

Assistert befruktning (ART) har i økende grad blitt brukt til behandling av infertilitet. Imidlertid har suksessraten for ART, som IVF, vært begrenset, og graviditetstapsraten er betydelig høyere enn for den normale befolkningen1. Hovedårsaken til disse problemene er kromosomale abnormiteter, som vanligvis eksisterer i preimplantasjon menneskelige embryoer2. PGT-A er en effektiv metode for screening av embryoer for kromosombalanse før implantasjon 3,4. Noen studier har vist at PGT-A kan redusere abortfrekvensen og forbedre graviditetsraten 5,6,7,8. PGT-A krever imidlertid kompleks teknisk ekspertise som krever spesifikk trening og erfaring. Den invasive embryobiopsiprosedyren kan også potensielt forårsake skade på embryoene9. Studier har vist at blastomerbiopsi kan hindre senere utvikling, og antall biopsierte TEs kan påvirke implantasjonsratene10. Selv om det langsiktige biosikkerhetsproblemet med embryobiopsi ennå ikke har blitt evaluert grundig hos mennesker, har dyreforsøk vist sin negative innflytelse på embryoutvikling11,12,13.

Tidligere rapporter indikerte at spormengder av DNA-materialer ble utskilt i kulturmediet under embryoutvikling, og det har blitt gjort forsøk på å utføre omfattende kromosomscreening (CCS) ved bruk av brukt embryokulturmedium 14,15,16,17,18. Deteksjonsratene og nøyaktigheten av testene har imidlertid ikke oppfylt kravene til omfattende klinisk bruk. Denne studien rapporterte en forbedring i NICS-analysen for å øke deteksjonsraten samt nøyaktigheten av NICS-testen19. De siste årene har blastocoelevæske (BF) blitt studert som en analytisk prøve av minimalt invasiv PGT-A. Imidlertid varierer andelen vellykket genom-bred amplifisering og detekterbart DNA i blastocystvæskeprøver fra 34,8% til 82%20,21,22. Volumet av BF rapportert i ulike studier varierer fra 0,3 nL til 1 μL. I lys av den lave mengden DNA i BF, er det mulig å øke mengden cellefritt DNA ved å blande blastocystvæske og kulturmedium for å forbedre suksessraten og konsistensen av deteksjon. Kuznyetsov et al.23 og Li et al.24 behandlet zona pellucida med en laser og frigjorde blastocystvæske i kulturmediet for å forbedre den totale mengden embryonalt DNA, og amplifikasjonshastigheten til de kombinerte medium / BF-prøvene etter WGA var henholdsvis 100% og 97,5%. Jiao et al.25 oppnådde også en suksessrate på 100% forsterkning ved å bruke samme metode.

Den foreliggende studien rapporterer en detaljert protokoll som inkluderer forberedelse av brukte medieprøver, NGS-forberedelse og dataanalyse. Ved forsiktig å fjerne cumulusceller fra oocytter, utførte denne studien intracytoplasmatisk enkeltspermieinjeksjon (ICSI) og blastocystkultur. Dag 4-dagers 5/dag 6 brukt medium ble samlet inn for WGA og NGS bibliotek forberedelse. Ved å bruke NICS-teknologi strømlinjeformet denne studien WGA- og NGS-bibliotekforberedelsestrinnene på omtrent 3 timer og oppnådde CCS-resultater ikke-invasivt på omtrent 9 timer.

Protocol

Etisk tillatelse ble innhentet fra etikkomiteen ved Peking University Third Hospital. 1. Forberedelse MERK: De nødvendige materialene og utstyret er oppført i Materialfortegnelse. ReagenserForvarm og bespar (balansert) 20-30 μL kjønnscellemedium/befruktningsmedium og spaltning/blastocyst-stadium kulturmedium (dekket med mineralolje) og hyaluronidase (i tett lukket rør) ved 37 °C, 5% CO 2 og 5% O2 i en Tri-gass inku…

Representative Results

Den foreliggende studien brukte den foreslåtte metoden på en pasient. IRB-godkjenning og informert samtykke ble innhentet før anvendelse av NICS-analyse. Den foreliggende studien innhentet 6 blastocyster fra pasienter og utførte NICS på alle 6 embryoene på dag 4 til dag 5 medium. Kromosomavvik forårsaket av foreldrenes balanserte translokasjon ble påvist i fem av kromosomene med NICS-analysen; derfor kunne de ikke brukes til overføring (figur 4A-E). NICS-resultatene…

Discussion

Endringer og feilsøking

Hvis NICS-resultatene er forurenset med foreldrenes genetiske materiale, må du sørge for at alle cumulus-corona radiata-celler fjernes og sørge for at ICSI utføres for befruktning. Feil medium lagring eller malforberedelsesprosesser unngås, noe som kan forringe DNA. Arbeidsområdet ble renset grundig med DNase og RNase dekontamineringsreagenser. For å unngå forurensning fra andre embryoer ble ett embryo alltid dyrket i en enkelt dråpe medium fo…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gjerne takke Shiping Bo og Shujie Ma for deres hjelp i NGS dataanalyse. Finansiering: dette arbeidet ble støttet av National Key Research and Development Program (Grant No. 2018YFC1003100).

Materials

1.5 mL EP tube, 0.2 mL PCR tube Axygen MCT-150-C, PCR-02-C DNase/RNase free, Low Binding PCR tubes and 1.5 mL micro-centrifuge tubes are recommended.
10 µL, 200 µL, 1000 µL DNase /RNase Free Tips Axygen T-300-R-S, T-200-Y-R-S, T-1000-B-R-S This can be replaced by other brand/For sample transfer
100 % ethanol Sinopharm Chemical 10009218 This can be replaced by other brand/For DNA library purification
Barcode Primer1-48 Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library amplificaton
BD Falcon Organ Culture Dish, Sterile BD Bioscience 363037 This can be replaced by other brand/For embryo culture
BD Falcon Tissue culture Dishes (Easy Grip) , Sterile BD Bioscience 353001 This can be replaced by other brand/For embryo culture
BD Falcon Tissue culture Dishes, Sterile BD Bioscience 353002 This can be replaced by other brand/For embryo culture
Cell Lysis Buffer Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For culture medium pre-treatment
Cell Lysis Enzyme Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For culture medium pre-treatment
ChromGo software Yikon Genomics Data analysis
CMPure Magbeads Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library purification
Cryotop open systerm  KITAZATO BioPharma 81110 This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
Distill water Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit To dissolve DNA
ES (Vitrification kit)  KITAZATO BioPharma Reagent inVitrification kit This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
HOLDNIG ORIGIO MPH-MED-35 This can be replaced by other
brand/For ICSI
Hyaluronidase solution, 80 U/mL SAGE ART4007-A This can be replaced by other brand/Digest oocyte-corona-cumulus complex
ICSI ORIGIO MPH-35-35 This can be replaced by other brand/For ICSI
Illumina MiSeq® System Illumina SY-410-1001 For library sequencing
Incubator Labotect Inkubator C16 This can be replaced by other brand/For embryo culture
Library buffer Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library amplificaton
Library Enzyme Mix Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For library amplificaton
Magnetic Stand DynaMagTM-2 12321D For library purification
Microscope OLYMPUS 1X71 This can be replaced by other brand/For embryo observation
Mini-centrifuge ESSENSCIEN ELF6 For separation
MT Enzyme Mix Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit For culture medium pre-treatment
NICSInst library preparation kit Yikon Genomics KT1000800324 Whole genome amplification and library construction
NICSInst Sample Prep Station Yikon Genomics  ME1001003 Amplificate DNA
Nunc IVF 4-Well Dish Thermo Scientific 144444 This can be replaced by other brand/For embryo washing and blastocyst culture
Pasteur Pipette Oirgio  MXL3-IND-135 This can be replaced by other brand/For embryo tansfer
Pasteur pipettes ORIGIO PP-9-1000 This can be replaced by other brand/For IVF laboratory
Pre-Lib Buffer Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit Pre-library preparation
Pre-Lib Enzyme Yikon Genomics Reagent in NICSInst library preparation kit Pre-library preparation
Qubit® 3.0 Fluorometer Thermo Scientific Q33216 For library quantification
Quinn's Advantage Blastocyst Medium SAGE ART-1029 For embryo blastocyst stage culture
Quinn's Advantage Cleavage Medium SAGE ART-1026 This can be replaced by other brand/For embryo cleavage stage culture
Quinn's Advantage Fertilization Medium SAGE ART-1020 This can be replaced by other brand/For oocyte and sperm fertilization
Quinn's Advantage m-HTF Medium with HEPES SAGE ART-1023 This can be replaced by other brand/For embryo clutrure
Quinn's Advantage SPS Serum protein Substitute Kit SAGE ART-3010 This can be replaced by other brand/To denude the oocyte
Quinn's Advantage Tissue culture mineral oil SAGE ART-4008P This can be replaced by other brand/To cover the culture medium
STRIPPER TIPS ORIGIO MXL3-IND-135 This can be replaced by other brand/For denudating granulosa cells
Vitrification Cryotop Open systerm KIZTAZATO 81111 This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
Vitrification kit  KITAZATO BioPharma VT101 This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
Vortexer Qilinbeier DNYS8 Sample mix
VS (Vitrification kit)  KITAZATO BioPharma Reagent inVitrification kit This can be replaced by other brand/For embryo vitrification
ZILOS-tk Laser System Hamilton Thorne CLASS 1 laser This can be replaced by other brand/For artificial blastocoele collapse

Riferimenti

  1. Barlow, P. Early pregnancy loss and obstetrical risk after in-vitro fertilization and embryo replacement. Human Reproduction. 3 (5), 671-675 (1988).
  2. Munne, S. Chromosome abnormalities and their relationship to morphology and development of human embryos. Reproductive BioMedicine Online. 12 (2), 234-253 (2006).
  3. Harton, G. L. Diminished effect of maternal age on implantation after preimplantation genetic diagnosis with array comparative genomic hybridization. Fertility and Sterility. 100 (6), 1695-1703 (2013).
  4. Hodes-Wertz, B. Idiopathic recurrent miscarriage is caused mostly by aneuploid embryos. Fertility and Sterility. 98 (3), 675-680 (2012).
  5. Keltz, M. D. Preimplantation genetic screening (PGS) with Comparative genomic hybridization (CGH) following day 3 single cell blastomere biopsy markedly improves IVF outcomes while lowering multiple pregnancies and miscarriages. Journal of Assisted Reproduction and Genetics. 30 (10), 1333-1339 (2013).
  6. Scott, R. T. Blastocyst biopsy with comprehensive chromosome screening and fresh embryo transfer significantly increases in vitro fertilization implantation and delivery rates: a randomized controlled trial. Fertility and Sterility. 100 (3), 697-703 (2013).
  7. Forman, E. J. In vitro fertilization with single euploid blastocyst transfer: a randomized controlled trial. Fertility and Sterility. 100 (1), 100-107 (2013).
  8. Yang, Z. Selection of single blastocysts for fresh transfer via standard morphology assessment alone and with array CGH for good prognosis IVF patients: results from a randomized pilot study. Molecular Cytogenetics. 5 (1), 24 (2012).
  9. Cimadomo, D. The Impact of Biopsy on Human Embryo Developmental Potential during Preimplantation Genetic Diagnosis. BioMed Research International. 2016, 7193075 (2016).
  10. Scott, R. T., Upham, K. M., Forman, E. J., Zhao, T., Treff, N. R. Cleavage-stage biopsy significantly impairs human embryonic implantation potential while blastocyst biopsy does not: a randomized and paired clinical trial. Fertility and Sterility. 100 (3), 624-630 (2013).
  11. Wu, Y. Blastomere biopsy influences epigenetic reprogramming during early embryo development, which impacts neural development and function in resulting mice. Cellular and Molecular Life Sciences. 71 (9), 1761-1774 (2014).
  12. Zhao, H. C. Aberrant epigenetic modification in murine brain tissues of offspring from preimplantation genetic diagnosis blastomere biopsies. Biology of Reproduction. 89 (5), 117 (2013).
  13. Zeng, Y. Preimplantation genetic diagnosis (PGD) influences adrenal development and response to cold stress in resulting mice. Cell and Tissue Research. 354 (3), 729-741 (2013).
  14. Palini, S. Genomic DNA in human blastocoele fluid. Reproductive BioMedicine Online. 26 (6), 603-610 (2013).
  15. Gianaroli, L. Blastocentesis: a source of DNA for preimplantation genetic testing. Results from a pilot study. Fertility and Sterility. 102 (6), 1692-1699 (2014).
  16. Stigliani, S., Anserini, P., Venturini, P. L., Scaruffi, P. Mitochondrial DNA content in embryo culture medium is significantly associated with human embryo fragmentation. Human Reproduction. 28 (10), 2652-2660 (2013).
  17. Stigliani, S. Mitochondrial DNA in Day 3 embryo culture medium is a novel, non-invasive biomarker of blastocyst potential and implantation outcome. Molecular Human Reproduction. 20 (12), 1238-1246 (2014).
  18. Wu, H. Medium-Based Noninvasive Preimplantation Genetic Diagnosis for Human α-Thalassemias-SEA. Medicina. 94 (12), e669 (2015).
  19. Xu, J. Noninvasive chromosome screening of human embryos by genome sequencing of embryo culture medium for in vitro fertilization. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (42), 11907-11912 (2016).
  20. Capalbo, A. Diagnostic efficacy of blastocoel fluid and spent media as sources of DNA for preimplantation genetic testing in standard clinical conditions. Fertility and Sterility. 110 (5), 870-879 (2018).
  21. Tobler, K. J. Blastocoel fluid from differentiated blastocysts harbors embryonic genomic material capable of a whole-genome deoxyribonucleic acid amplification and comprehensive chromosome microarray analysis. Fertility and Sterility. 104 (2), 418-425 (2015).
  22. Magli, M. C. Preimplantation genetic testing: polar bodies, blastomeres, trophectoderm cells, or blastocoelic fluid?. Fertility and Sterility. 105 (3), 676-683 (2016).
  23. Kuznyetsov, V. Evaluation of a novel non-invasive preimplantation genetic screening approach. PLoS One. 13 (5), e0197262 (2018).
  24. Li, P. Preimplantation Genetic Screening with Spent Culture Medium/Blastocoel Fluid for in Vitro Fertilization. Scientific Reports. 8 (1), 9275 (2018).
  25. Jiao, J. Minimally invasive preimplantation genetic testing using blastocyst culture medium. Human Reproduction. 34 (7), 1369-1379 (2019).
  26. Palermo, G. D. Births after intracytoplasmic injection of sperm obtained by testicular extraction from men with nonmosaic Klinefelter’s syndrome. New England Journal of Medicine. 338 (9), 588-590 (1998).
  27. Alpha Scientists in Reproductive, M., & Embryology, E. S. I. G. o. The Istanbul consensus workshop on embryo assessment: proceedings of an expert meeting. Human Reproduction. 26 (6), 1270-1283 (2011).
  28. . Qubit dsDNA HS Assay Kit Available from: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/Q32851?ICID=search-product (2015)
  29. . Miseq system use guide Available from: https://support.illumina.com/downloads/miseq_system (2016)
  30. Lane, M. Ability to detect aneuploidy from cell free DNA collected from media is dependent on the stage of development of the embryo. Fertility and Sterility. 108 (3), (2017).
  31. Rubio, C. Multicenter prospective study of concordance between embryonic cell-free DNA and trophectoderm biopsies from 1301 human blastocysts. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 223 (5), 751-751 (2020).
  32. Rubio, C. Embryonic cell-free DNA versus trophectoderm biopsy for aneuploidy testing: concordance rate and clinical implications. Fertility and Sterility. 112 (3), 510-519 (2019).
  33. Lledo, B. Consistent results of non-invasive PGT-A of human embryos using two different techniques for chromosomal analysis. Reproductive BioMedicine Online. 42 (3), 555-563 (2021).
  34. Kuznyetsov, V. Minimally Invasive Cell-Free Human Embryo Aneuploidy Testing (miPGT-A) Utilizing Combined Spent Embryo Culture Medium and Blastocoel Fluid -Towards Development of a Clinical Assay. Scientific Reports. 10 (1), 7244 (2020).
check_url/it/62619?article_type=t&slug=chromosome-screening-human-preimplantation-embryos-using-spent

Play Video

Citazione di questo articolo
Huang, J., Yao, Y., Jia, J., Zhu, X., Ma, J., Wang, J., Liu, P., Lu, S. Chromosome Screening of Human Preimplantation Embryos by Using Spent Culture Medium: Sample Collection and Chromosomal Ploidy Analysis. J. Vis. Exp. (175), e62619, doi:10.3791/62619 (2021).

View Video