北京中科白殿疯病医院 https://wapjbk.39.net/yiyuanfengcai/lx_bjzkbdfyy/体外受精（IVF）和男科实验室是辅助生殖技术的中心，也是技术人员和胚胎学家对配子和植入前胚胎进行操作的地方，其核心目的之一是获得最佳的可移植胚胎。过去若干年来，这些实验室见证了各类技术和检测的发展。生殖医学领域权威杂志《FertilityandSterility》在今年7月刊的“观点和访谈”栏目中推出了一个特别主题，将该领域的9位意见领袖及其团队成员聚集在一起，并展望了未来十年IVF和男科实验室的发展情况。本文选取了其中两位专家（及其团队成员）的观点，他们分别是来自英国诺丁汉的临床胚胎学家AlisonCampbell以及澳大利亚著名胚胎学家DavidGardner。结合他们描述的愿景，我们还会穿插介绍一些有代表性的前瞻性技术应用，相信前沿科技和传统IVF实验室的结合会让你对生殖医学产生耳目一新的感受。与此同时，作为相关实验室的从业人员，你还将了解到事关自己未来事业发展的重要走向。而作为临床医生，你也可以看到未来实验室将如何配合临床来给患者挑选最佳胚胎进行移植。以下，enjoy~在这一期的主题中，两位专家（及其团队成员）围绕以下5个问题做了详尽的阐述，这些问题与IVF和男科实验室的未来发展紧密相关，分别是：
1.未来我们会给实验室增加更多的监管和复杂性，还是会有所简化，就像“Laboratoryinabox”概念所描绘的那样？
2.实验室的自动化将如何实施？
3.对未来的实验室来说，传统上用于IVF实验室、单个实验室工作人员和单个设备的指标是否是足够的或者说是必要的?
4.除了形态学特征，还有哪些参数需要评估？
5.在年的IVF实验室中，胚胎学家和实验室技术人员将扮演什么角色？
首先，我们来看看AlisonCampbell是怎么说的。Q1AlisonCampbell在过去十年左右的时间里，IVF实验室在设备、技术和流程方面变得越来越复杂。未来十年将会见到这些系统的整合和简化、以及实验室过程的精简，最终帮助实验室科学家简化处理配子和胚胎的步骤，比如：i.微流控技术促进精子制备、常规体外受精和卵母细胞洗涤微流控（Microfluidics）技术是指利用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为纳升到阿升）的系统所涉及的科学和技术，属于新兴交叉学科。它的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质，如层流和液滴等。借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。微流控技术已被应用到精子活力评价与筛选、精子的化学趋向性筛选、卵丘细胞去除、透明带移除、卵细胞定位与筛选、受精过程、早期胚胎培养以及生殖器官模拟等多个方面。以精子活力评价和筛选为例，在精子费尽周折到达卵子之前，它们需要在从子宫颈到子宫的粘膜微通道中移动，这个环境就像一个天然的过滤器，用来选择最优质的精子。而微流控技术则可以模拟女性生殖道的这种自然微环境，在体外对精子进行分选。微通道筛选精子简单易用，与生理环境接近，且对精子的伤害小，故其临床应用前景非常广泛，同时活性筛选通道也有集成后续受精相关器件的潜力，为在芯片上实现IVF的全过程奠定基础。年的两个代表性研究展示了其大致的原理，如下图所示：NosratiR,etal.AsgharW,etal.ii.图像捕获/3D重构，受精、胚胎活性和质量的自动智能化评估以年发表在《ScienceReports》上的一项研究为例，其通过荧光寿命成像显微镜(FLIM)-相量方法对植入前胚胎质量进行评估，大致方法流程是：首先收集超排卵雌性小鼠在不同发育阶段的FLIM图像，使用配有FLIM-盒的Zeiss显微镜收集每个胚胎的固有荧光寿命，再采用相量法对植入前小鼠胚胎发育的FLIM数据进行分析，最后应用距离分析(DA)方法预测胚胎活力（如下图所示）。MaN,etal.iii.用于染色体倍性和遗传学评估的培养液或活检取样可以在胚胎学实验室中以最简化的步骤快速进行iv.“Laboratoryinabox”的解决方案在年可能会得到应用，至少在IVF的部分环节会如此Q2AlisonCampbell到年，IVF和男科实验室的许多方面都将实现自动化，具体实施可能会分阶段进行，会涉及到可以连接在一起的多个系统。例如：i.全自动、快速精液分析（最大程度减少人力输入）ii.提高居家育性检测和监测的准确性和可用性日本泌尿科医生小堀善友（YoshitomoKobori）在年发表的一篇关于“男性不育居家检测”的综述中，调研了当前可用的家用精液检测设备，并对其局限性和未来发展做了全面介绍分析。各类检测产品的比对如下表所示。表格内容整理自KoboriY.，检测费用仅代表文献发表时的市场价iii.利用人工智能(AI)决策支持工具评估和选择配子及胚胎正如下图所示，哈佛大学HadiShafiee团队采用深度卷积神经网络(CNN)来预测胚胎发育，并结合遗传学检测和相关算法来选择高质量的胚胎。KanakasabapathyMK,etal.iv.自动化培养皿制备与自动化培养液取样以确保质量v.通过语音识别将实时数据收集到实验室的电子医疗记录系统中vi.显微镜和工作站上的虹膜识别会自动将日期、时间、流程和操作人员记录到电子病历系统中vii.机器人解决方案可能适用于多种过程，包括通过IVF和ICSI(卵胞浆内单精子注射)进行的卵母细胞授精、培养皿制备和培养液取样以及玻璃化冷冻/回温复苏viii.通过移动应用程序，患者在治疗期间可获得来自实验室的检测结果（实时更新）ix.对所有装有配子或胚胎（包括冷冻保存材料）的实验室容器进行电子标记（如通过射频识别）将成为可溯源性和监管链记录的标准做法Q3AlisonCampbell关键绩效指标将变得更多且更复杂。基于大数据，它们将被用作实验室工作人员非常早期的预警系统，从而检测设备或从业者表现的细微变化。Q4AlisonCampbell快速和自动化精液分析与精子功能测试以及改进的分离技术将用于IVF治疗，从而最大限度改善临床结局。卵母细胞质量的形态学（通过图像分析）和生物力学评估可用于帮助设定患者期望并支持治疗决策。随着数字化和自动化程度的提高，评估将变得不那么人为主观化。细胞数量、定位、时间以及胚胎发育的持续时间和动态等参数将变得更加常规和可靠。人工智能解决方案可以根据培养过程中收集的各种信息提供“黑匣子”评估和胚胎等级排序。无创和微创技术将比侵入性的配子和胚胎评估方法更受青睐。代谢组学、生物物理学（如膜弹性）、培养液中用于评估胚胎倍性和遗传学的细胞游离DNA可以用来指示胚胎的健康状况。当受精不明确或未被证实时，将可进行原核数目的遗传学检测。Q5AlisonCampbell由于自动化程度的提高和可重复性的相关改进，高级别专家与实验室技术人员的比例可能会发生变化。在某些任务中，自动、快速、有效系统的实施将减少对胚胎学家的实际需求，他们的角色将重点体现在向临床同事和患者推荐合适的治疗方案上。需要高水平专家来确保优化的胚胎学实践和质量，并监督技术人员。而实验室技术人员将在设置和监控设备、维护供应和执行日常任务方面发挥关键作用。接下来，我们再看一下Gardner教授和其团队成员的描述。Q1DavidGardner团队实验室中的事件将变得更加复杂。然而，这种增加的复杂性将被新的操作和培养细胞的方法所简化，这些方法会使用微组装设备来创建能够提供培养液流的微环境。尽管这样的想法已经存在了1/4个世纪，但技术才刚刚开始赶上这一愿景。因此，IVF实验室的人为手动工作量将有效减少。Q2DavidGardner团队用于精子分离的微流体和用于ICSI的微机器人精子固定术已经在原理研究中确立。在三维打印技术的推动下，微结构制造正在彻底改变我们开发出能够为单个胚胎创造微环境设备的能力。所有这些都可以由基于计算机的系统驱动，并由人工智能进行优化，从而促进多个流程在单个或至少兼容的设备中进行集成，最终执行IVF过程中涉及到的多个步骤。ZhuF,etal.这种依托3D打印技术的微结构装置（如上图所示），由微流体和灌注技术支持，可通过调节培养液流量来维持胚胎发育，不仅有助于优化培养，而且有助于分析所使用的培养液中的代谢产物和生物标记物，以及随后的胚胎玻璃化冷冻。Q3DavidGardner团队目前，大多数质控数据并没有被充分利用来优化IVF实验室的运行。云服务和人工智能驱动的技术正涌现出来，可帮助提高质量体系。因此，所有的实验室，无论其周期数大小，都将能获得足够的反馈来优化其运行流程。Q4DavidGardner团队随着微流体和能够间接评估胚胎代谢状态的新显微技术的出现，将有可能细化胚胎代谢和活性之间的关系。此外，寻找培养液中分泌的胚胎源性因子，如微核糖核酸、微囊泡、多肽和蛋白质等，将为胚胎健康情况和信号转导提供见解。这些生物标记物和形态动力学数据的结合，以及收集用于染色体分析的细胞游离DNA的能力，都将通过人工智能进行分析，这将有助于建立一个胚胎活性/常态指数，从而缩短妊娠的时间。Gardner教授这段表述早在年他和团队成员发表的一篇综述中就展示出来了（如下图所示）。可以预见，未来胚胎筛选的主流趋势是“多种参数（来自显微镜的各种图像参数）+多种生物标记物（来自微流控设备所检测到的DNA、蛋白、代谢物等）+AI”的结合，而且是以无创的方式进行。FerrickL,etal.Q5DavidGardner团队由于未来所提取数据的复杂性，所需的教育和经验水平将继续拔高，并进一步凸显掌握新知识和新技能的重要性。尽管关键步骤一旦自动化后整体所需的时间会更少，但围绕每个胚胎产生的数据量则不断在增加，由此会衍生出其它新的任务。为了确保各种新技术的成功实施和优化，经验以及对胚胎学的深入理解会一直需要。通过以上内容的介绍我们看到，“自动化”、“智能化”、“标准化”将会是未来10年发展的主旋律，各种高科技会陆续走进实验室，进一步解放人力的同时也让配子和胚胎的操作和选择变得更加精准高效。同时我们也能感受到，在未来实验室的发展中，传统技术人员不可避免会受到来自机器的“挑战”，如何提高自身竞争力、保持不可替代性值得思考。随着更多新兴技术的出现、更多学科的交叉融合，整个生殖医学（包括实验室和临床）必将会迎来更快更好的发展，最终造福于民众！END参考资料：
1.CampbellA,etal.Invitrofertilizationandandrologylaboratoryin:expertvisions.FertilSteril.Jul;(1):4-12.doi:10./j.fertnstert..05..
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4.MaN,etal.Label-freeassessmentofpre-implantationembryoqualitybytheFluorescenceLifetimeImagingMicroscopy(FLIM)-phasorapproach.SciRep.Sep13;9(1):.doi:10./s---2.
5.KoboriY.Hometestingformalefactorinfertility:areviewofcurrentoptions.FertilSteril.May;(5):-.doi:10./j.fertnstert..01..
6.KanakasabapathyMK,etal.Deeplearningmediatedsingletime-pointimage-basedpredictionofembryodevelopmentalout
