Změny hladin vybraných metabolitů v kultivačním médiu jako možný nástroj pro selekci embryí v asistované reprodukci

Souhrn

I přes zvyšující se úspěšnost léčby neplodnosti metodami asistované reprodukce zůstává nadále problém vybrat nejkvalitnější embryo, které má v sobě potenciál dalšího vývoje a implantace. V současnosti je výběr embrya založen především na morfologických znacích. Tento přístup je subjektivní, proto je snahou nalézt jinou, objektivnější a robustnější metodu, vhodnou k výběru embrya. Metabolismus embrya představuje jednu z možností. Tato neinvazivní metoda umožňuje pozorovat změny v hladinách různých metabolitů v kultivačním médiu před inkubací a po inkubaci jednoho embrya. Nejčastěji diskutovanými látkami jsou sacharidy a aminokyseliny jako hlavní komponenty kultivačních médií. Sacharidy slouží převážně jako zdroj energie, zatímco aminokyseliny jsou využívány k syntéze proteinů a nukleotidů, působí jako antioxidanty, osmolyty a pufry. Bylo navrženo několik metod, které hodnotí metabolický profil embrya a je mnoho teorií, jak podle metabolismu embrya vybrat to nejvhodnější k transferu.

Klíčová slova:
aminokyseliny, metabolismus embrya, výběr embrya po IVF, sacharidy

OBECNÁ CHARAKTERISTIKA KULTIVAČNÍCH MÉDIÍ

V asistované reprodukci je výběr vhodného embrya pro transfer založen na zkušenostech embryologa, který hodnotí především dynamiku vývoje embrya a jeho vzhled. S cílem zvýšit úspěšnost implantace a možnost zavádět pouze jedno embryo se v současnosti hledají další, více objektivní ukazatelé kvality embrya. Metabolismus embrya nabízí jednu z možností. Je to metoda neinvazivní, kdy se sledují změny koncentrací živin v inkubačním médiu před inkubací jednoho jediného embrya a po ní [3, 19].

Složení komerčně dostupných médií, užívaných pro kultivaci lidských embryí, napodobuje přirozené podmínky vejcovodů a dělohy. S ohledem na obtížnosti spojené s pokusy na lidských embryích, vychází složení médií z experimentů prováděných na zvířecích embryích. Nejčastějšími modely jsou myši, potkani, krysy, kočky, křečci, ale i krávy či prasata, přičemž existují mezidruhové rozdíly v požadavcích na vhodná kultivační média [26]. Média se proto neustále vyvíjejí, tak jak se prohlubují poznatky o metabolismu embryí a vlivu jednotlivých složek na vývoj embrya.

Nezbytnou složkou médií jsou aminokyseliny a cukry, důležitou úlohu hrají také pufry a anorganické ionty. Dříve bylo běžnou složkou i lidské sérum, které obsahuje mnoho metabolitů, jež mohou negativně ovlivňovat vývoj embrya, proto je nyní nahrazeno albuminem či hyaluronanem [1, 15, 33, 38].

Oproti přirozeným podmínkám v děloze a vejcovodu je kultivace embryí v laboratořích uzavřeným systémem. Embrya bývají v kultivačním médiu překryta vrstvou oleje, která jednak brání odpaření média, ale může také extrahovat lipofilní látky z média, které se pak stanou nedostupnými pro embryo [15, 24]. Zároveň je důležité najít vhodný poměr mezi objemem kultivačního média a počtem embryí na jedné misce. Je známo, že embrya produkují růstové faktory, a mohou se tak pozitivním způsobem navzájem ovlivňovat, proto jsou kultivovány společně ve skupinách v jedné kapce média (WOW systém, Well of the Well system) [9, 35]. Čím více embryí je kultivováno v malém objemu, tím se mnohem rychleji spotřebovávají živiny z média a zároveň se hromadí toxické metabolity (hlavně amoniak), které naopak mohou zhoršit vývoj embryí [1].

VÝBĚR EMBRYA VHODNÉHO PRO TRANSFER NA ZÁKLADĚ METABOLICKÉ AKTIVITY

V současnosti existují dvě teorie, jak podle metabolismu poznat embryo s nejvyšším potenciálem k implantaci. První byla vyřčena Leesem et al. [22], kteří ji označili za „the quiet embryo hypothesis“. Domnívají se, že ta embrya, která jsou kvalitnější, tedy ta, která se pravidelně dělí a nevykazují žádné abnormální znaky, mají nižší (tišší) metabolismus. Znamená to, že z média využívají méně živin a zároveň do média uvolňují jen malé množství metabolitů. Aktivní metabolismus je spojován s embryi, které mají poškozenou DNA a živiny využívají k jejím opravám.

Méně známá je hypotéza „the rate and fate“, která říká, že kvalita embrya není určena jen množstvím živin, které spotřebuje, ale také tím, jakou metabolickou dráhu embryo využije k jejímu zpracování. Autoři tohoto přístupu proto upozorňují, že je nutné sledovat změny u více živin, a ne jen jedné jediné [13].

SACHARIDY

Nejvýznamnějším zástupcem sacharidů je glukóza, která nemůže vstupovat do buněk prostou difuzí, ale prostřednictvím specifických transportérů [3, 38]. V lidském organismu představuje hlavní zdroj energie, zatímco embryo až do stadia blastocysty využívá především pyruvát a laktát (látky vzniklé přeměnou glukózy). Prvních 48 hodin inkubace může být vyšší koncentrace glukózy pro embryo dokonce toxická [6]. Malé množství glukózy je však v kultivačním médiu nezbytné pro pozdější vývoj embrya (pro expresi genů řídících metabolismus glukózy ve stadiu blastocysty), proto je do médií přidávána EDTA, která inhibuje přeměnu glukózy. EDTA plní ale i další funkci, a to antioxidační, vazbou Fe²⁺ brání vzniku volných radikálů [33].

Při přeměně moruly v blastocystu nastává prudký nárůst spotřeby glukózy [22]. Konečným produktem odbourávání glukózy je pyruvát, který je u somatických buněk za aerobních podmínek oxidován na acetyl-CoA, jenž sledem reakcí vede k produkci ATP. Při anaerobních podmínkách je pyruvát redukován na laktát. U embryí ve stadiu blastocysty bylo pozorováno, že přeměna pyruvátu na laktát probíhá i za aerobních podmínek. Tento jev je spojován s nádorovými buňkami a je označován jako Warburgův efekt. Nádorové buňky upřednostňují tuto metabolickou cestu proto, že vznikající laktát okyseluje nejbližší okolí, což může mít škodlivé účinky na sousedící buňky, jejich poškození totiž umožňuje šíření nádoru. Předpokládá se, že stejný mechanismus využívá embryo k tomu, aby se mohlo uhnízdit v děložní dutině [21, 28, 30].

AMINOKYSELINY

Aminokyseliny mohou být podobně jako sacharidy využity k tvorbě ATP (kyselina glutamová, glutamin), slouží jako pufry a regulátory osmotického tlaku, mají antioxidační funkci (hlavně aminokyseliny obsahující síru) a v neposlední řadě jsou využity k tvorbě nukleotidů a syntéze DNA [36].

Aminokyseliny vstupují do buněk přes specifické transportéry, jejichž funkce jsou aktivovány či inaktivovány s růstem embrya. Tyto transportéry nejenže zabezpečují embryu živiny, ale pomáhají mu čelit vyššímu osmotickému tlaku, který je pro jeho vývoj škodlivý [1, 29].

Aminokyseliny jsou při 37 °C látky nestabilní a uvolňují ze své molekuly amoniak. Nejvíce náchylnou aminokyselinou v tomto směru je glutamin, proto je do kultivačních médií přidáván ve formě dipeptidu (jako alanylglutamin nebo glycylglutamin). Embrya se částečně dokážou s toxickým účinkem amoniaku vyrovnat sama, detoxikují ho vazbou na pyruvát za vzniku alaninu. Vyšší koncentrace amoniaku ovlivňuje expresi genů a má negativní vliv na všechna vývojová stadia embrya a celkově jeho kvalitu [12]. Podle Pudakalakatti et al. [27] jsou kvalitnější ta embrya, u nichž byly naměřeny vyšší hladiny alaninu. Naproti tomu Houghton et al. [18] ve své studii pozorovali, že embrya, která se přestala vyvíjet nebo vykazovala znaky abnormálního růstu, produkovala více alaninu.

Významnou úlohu v metabolismu embrya hrají aminokyseliny obsahující ve své molekule síru (methionin, cystein, taurin) a jednou z nejčastěji diskutovaných aminokyselin vůbec je právě methionin, a to hned z několika důvodů. Jedním je, že methionin zahajuje syntézu proteinů a je významným metylačním činidlem DNA, RNA, lipidů a proteinů prostřednictvím S-adenosylmethioninu (SAM). Při pokusech s antimetabolitem methioninu, ethioninem, byla pozorována hypometylace DNA, kterou způsobil deficit SAM. Poškození DNA ovlivnilo expresi genů a mělo negativní dopad na vývoj moruly [20]. Bonilla et al. [2] pozorovali zhoršený vývoj embryí skotu, jestliže byla inkubována v médiích bez přídavku methioninu.

Aminokyselina cystein je prekurzorem dalších látek, konkrétně glutathionu (GSH), taurinu a hypotaurinu. GSH (γ-glutamylcysteinylglycin) je významný intracelulární antioxidant. Jeho přídavek do kultivačních médií (společně s cysteinem), podporuje vývoj embryí skotu a snižuje hladiny ROS (reaktivní formy kyslíku) [23]. Taurin má významné postavení v reprodukci. Nachází se v ejakulátu mužů, kde příznivě působí na vývoj spermií a zachovává jejich motilitu a je nepostradatelný pro oplození a vývoj embrya. V genitálním traktu jeho koncentrace kolísá během menstruačního cyklu (3–17 mmol/l). Podobně jako glutamin podporuje dělení buněk, v jeho přítomnosti se ale účinek neznásobí. Taurin je také významným regulátorem osmotického tlaku, v hypoosmotickém médiu jej embrya uvolňují a jeho koncentrace se v médiu zvyšuje [8].

Arginin a leucin podporují přeměnu myší moruly v blastocystu. González et al. [14] zjistili, že účinky argininu a leucinu jsou nezávislé a že každá aminokyselina má v tomto ději svoji úlohu, a jejich účinek je tudíž aditivní. Když v médiu chybí obě aminokyseliny, dělení buněk je inhibováno. Vývoj moruly v blastocytu je podporován také přídavkem glutaminu [6, 7], který zároveň přispívá k uvolnění blastocysty ze zona pellucida a chrání embryo před degenerací [5]. Houghtonet al. [18] považují u embrya za znak kvality množství spotřebovaného leucinu, protože embrya, která dosáhla stadia blastocysty, spotřebovala více leucinu než ta, která se přestala dělit. Leucin je signální molekula, která stimuluje syntézu proteinů v buňce.

Zajímavou aminokyselinou, která není v publikacích téměř zmiňovaná, je histidin. Jeho dekarboxylací vzniká histamin, významná signální molekula. Blastocysty produkují histidin a enzym histidindekarboxyláza je exprimován v děloze, proto produkce histaminu může hypoteticky připravit dělohu k implantaci embrya [31].

Dále bylo zjištěno, že hladiny některých aminokyselin korelují s tvorbou blastocysty, zatímco jiné s úspěšnou implantací embrya [4]. Byl nalezen i rozdílný metabolismus u vajíček, která byla úspěšně oplozena a těmi, která nedosáhla stadia moruly, mohou se lišit i samičí a samčí embrya a embrya s aneuploidiemi [17, 25]. Odlišný metabolismus byl také pozorován u čerstvých a zmražených embryí. Embrya, která se po kryokonzervaci nevyvíjela správným způsobem, byla metabolicky více aktivní. Picton et al. [25] se domnívají, že samotná kryokonzervace metabolismus neovlivňuje, příčinou je spíše ztráta blastomer. Takováto embrya spotřebovávají, ve srovnání s kontrolní skupinou, více argininu, který je prekurzorem radikálu oxidu dusnatého a ten může při vyšších koncentracích vyvolat apoptózu buněk.

LIPIDY

Lipidy jsou nezbytnou složkou buněčných membrán a výchozími látkami při syntéze steroidních hormonů a prostaglandinů. Vyskytují se v několika formách, jako volné mastné kyseliny, triacylglyceroly, fosfolipidy a sfingolipidy. Mastné kyseliny představují nejjednodušší formu lipidů. Jejich odbourávání probíhá v mitochondriích, kde jsou oxidovány na acetyl-CoA (β-oxidace), který vstupuje do citrátového cyklu a vede ke vzniku ATP. Mastné kyseliny s dlouhým řetězcem nemohou volně vstupovat do mitochondrie, proto musí být nejdříve „aktivovány“ vazbou na přenašeč, karnitin [36].

Mastné kyseliny, ať už volné, či esterifikované, nejsou běžnou složkou médií určených pro kultivaci lidských embryí, i když byl prokázán jejich pozitivní vliv na vývoj zvířecích embryí. Součástí médií je však albumin, na který se mastné kyseliny vážou (v organismu je to až 99 %). Afinita mastných kyselin k albuminu se zvyšuje s délkou řetězce [11, 34].

Podle studie Haggarty et al. [16] obsahují embrya vysoký podíl nasycených mastných kyselin (62–72 %), přičemž jen polovinu z toho tvoří kyselina palmitová (C16:0). Ve vyšší míře jsou zastoupeny také kyselina olejová (C18:1, ω-9), linolová (C18:2, ω-6), arachidonová (C20:4, ω-6) a dokosahexaenová (C22:6, ω-3). V porovnání se zvířecími modely obsahují lidská embrya podobný podíl nasycených a nenasycených mastných kyselin, s tím rozdílem, že koncentrace kyseliny olejové dosahuje asi třetinových hodnot a kyseliny linolové dokonce polovičních hodnot oproti zvířecím embryím.

Bylo zjištěno, že i přídavek karnitinu má pozitivní vliv na vývoj embryí. U embryí skotu se v přítomnosti sacharidů tento účinek může dokonce znásobit, neboť karnitin a β-oxidace zprostředkují syntézu ATP, a glukóza tak může být využita ne jako zdroj energie, ale jako prekurzor pro nukleotidy a následně syntézu DNA. Karnitin může navíc zvyšovat aktivitu antioxidačních enzymů, jakými jsou superoxiddismutáza, kataláza a glutathion-peroxidáza, a tím snižovat nepříznivý účinek volných radikálů [32]. U myší bylo prokázáno, že přídavek karnitinu do média zvýší počet embryí, která dozrají do stadia blastocysty. Blastocysty pak mají ve srovnání s kontrolní skupinou i vyšší počet blastomer [10].

Yamada et al. [37] se zabývali možností využití oktanoátu jako zdroje energie u myších embryí. Protože je to mastná kyselina se středně dlouhým řetězcem, vstupuje do mitochondrií přímo bez vazby na karnitin. Přídavek oktanoátu pozitivně ovlivňoval vývoj embryí a při pokusech se značeným oktanoátem bylo zjištěno, že je prostřednictvím citrátového cyklu využíván k syntéze ATP.

Mgr. Petra Drábková

Univerzita Pardubice

Fakulta chemicko-technologická

Katedra biologických a biochemických věd

Studentská 573

532 10 Pardubice

korespondující autor

doc. Mgr. Roman Kanďár, Ph.D.

e-mail: roman.kandar@upce.cz