利用新型、非侵入式和高灵敏度微电极系统测量牛体外生产胚胎的呼吸速率

研究简介:介绍了一种新型的非侵入式、高灵敏度微传感器系统，用于测量牛体外生产胚胎的呼吸速率，并探讨其与胚胎形态、直径、性别及发育阶段的相关性。传统胚胎质量评估主要依赖形态学评价，但这种方法主观性强且难以准确判断中等质量胚胎的发育潜力。因此本研究旨在开发一种更客观、准确的胚胎质量评估方法。研究使用了第3天的8细胞期胚胎和第7天的囊胚期胚胎，通过新型微传感器系统测量其呼吸速率。该系统基于微型氧气传感器，通过检测胚胎在玻璃毛细管中产生的线性稳态氧气梯度来计算呼吸速率。实验结果表明，第7天囊胚的平均呼吸速率显著高于第3天胚胎，且呼吸速率与胚胎直径呈正相关。此外第7天囊胚的呼吸速率与其质量等级相关，质量等级为1的囊胚呼吸速率最高，而不同性别的胚胎呼吸速率无显著差异。本研究提供了一种快速、准确且非侵入式的胚胎呼吸速率测量方法，能够在短时间内完成单个胚胎的代谢活动评估。呼吸速率作为一种客观的代谢指标，与胚胎形态学评估相结合，有望进一步提高胚胎分类和选择的准确性，从而为胚胎移植的成功率提供更可靠的预测依据。未来的研究将进一步验证呼吸速率在胚胎发育潜能评估中的应用价值，并探索其在动物胚胎生产和人类辅助生殖技术中的潜在应用。

Unisense超微呼吸极系统的应用

Unisense超呼吸测量系统发挥了至关重要的作用，它为研究者提供了一种高灵敏度、非侵入式且快速准确的手段来测量牛体外生产胚胎的呼吸速率。Unisense超系统的核心是一个微型氧气传感器（OX50），其尖端直径仅为40–60μm。这种微型化设计使得传感器能够精确地测量微小空间内的氧气浓度变化。传感器的响应时间小于5秒，且自身氧气消耗可以忽略不计，这确保了测量结果的高精度和可靠性。Unisense系统通过将胚胎放置在玻璃毛细管底部，利用传感器测量毛细管内的氧气浓度梯度，从而实现了非侵入式测量。这种方法不会对胚胎造成损伤，也不会干扰胚胎的正常发育。在短时间内完成对单个胚胎的呼吸速率测量。在本研究中，每个胚胎的测量过程仅需约8分钟，这使得研究者能够在短时间内对大量胚胎进行测量。此外本系统的设计允许同时测量多个胚胎，进一步提高了实验效率。

实验结果

验证了一种新型高分辨率微电极技术，用于测定不同发育阶段单个胚胎的呼吸速率。我们利用该技术研究了呼吸速率与胚胎形态、直径和性别之间的相关性。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）显著高于第3天的8细胞期胚胎（0.38±0.011 nl/h），表明随着胚胎发育，其代谢活动显著增强。这种差异反映了胚胎在不同发育阶段的能量需求变化。对于第7天的囊胚，质量等级为1的胚胎呼吸速率显著高于其他质量等级的胚胎。具体而言，质量等级为1的胚胎呼吸速率为1.72±0.18 nl/h，而质量等级为2、3和4的胚胎呼吸速率分别为1.23±0.14 nl/h、1.07±0.14 nl/h和0.81±0.22 nl/h。这表明呼吸速率与胚胎质量呈正相关，高质量胚胎通常具有更高的呼吸速率。胚胎的呼吸速率与其直径直接相关，直径较大的胚胎具有更高的呼吸速率。这种关系可能与胚胎的代谢需求和能量消耗有关，较大的胚胎需要更多的氧气来维持其代谢活动。在第3天和第7天的胚胎中，呼吸速率在不同性别的胚胎之间没有显著差异。这表明性别对胚胎的呼吸速率影响较小，呼吸速率主要与胚胎的发育阶段和质量相关。呼吸速率作为一种客观的代谢指标，可以与传统的形态学评估相结合，进一步提高胚胎分类和选择的准确性。这种结合评估方法有望为胚胎移植的成功率提供更可靠的预测依据，减少失败妊娠和多胎妊娠的风险。结果表明，unisense超微呼吸系统可用于准确、快速(8分钟)测量不同发育阶段单个胚胎的呼吸速率。呼吸速率与胚胎形态只有部分吻合，这表明这两种方法在评估胚胎质量方面略有差异。对胚胎呼吸和形态进行综合评估可能会改进胚胎分类和后续筛选工作。

图1、完整的超微呼吸系统。温控水浴通过两根硅胶管(图中未显示)与玻璃培养室中的加热螺旋进一步连接。MMS；微机械手系统。

图2、(A)带有胚胎的单根花环毛细管示意图，(B)从上往下看组成“花环”的七根熔融玻璃毛细管，(C)纳米吸气装置。花环安装在中央花环盘中，可以旋转花环盘，使另一根毛细管与电极对齐。圆盘上的数字用于跟踪正在研究的毛细管。电极位于毛细管上方。承载圆盘的聚砜圆筒和左侧的杆是圆盘支架，测量时将其浸入装有介质的烧杯中。

图3、由5个第7天胚泡的呼吸速率产生的氧梯度记录。对照梯度相当于空毛细管中的测量值，作为负参考(=无呼吸活动)。每个梯度的斜率针对每个胚胎。

图4、对同一胚胎进行的第一次和第二次氧气测量之间的关系，测量间隔为76±8分钟。

图5、呼吸速率与第7天体外生产的牛囊胚直径之间的关系。

结论与展望

本研究通过引入一种新型的高分辨率微传感器测试系统，成功实现了对牛体外生产胚胎呼吸速率的非侵入式、快速且准确的测量。研究结果表明，呼吸速率可以作为一种有效的胚胎质量评估指标，尤其是在结合传统形态学评估时，能够进一步提高胚胎分类和选择的准确性。unisense超微呼吸系统具有高精度、高重复性和非侵入性的特点。实验结果表明，两次测量的呼吸速率高度一致（R2=0.9705），且系统在空毛细管中的氧气消耗极低（0.034±0.055 nl/h），表明系统具有极低的背景干扰和测量误差。研究结果表明，胚胎的呼吸速率与其发育阶段、形态学质量以及直径密切相关。通过使用新型微传感器系统成功测量了牛体外生产胚胎的呼吸速率，并验证了其在胚胎质量评估中的潜在应用价值。这种技术为胚胎评估提供了一种新的、客观的手段，有望推动胚胎评估技术向更加科学、精准的方向发展。

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