Sự phát triển của công nghệ hỗ trợ sinh sản (ART) đã mở ra một kỷ nguyên mới cho những cặp vợ chồng bị vô sinh, hiếm muộn. Phổ biến nhất trong ART là 3 kỹ thuật bơm tinh trùng vào buồng tử cung (IUI), thụ tinh trong ống nghiệm (IVF) và tiêm tinh trùng vào bào tương trứng (ICSI). Tuy nhiên, tỷ lệ thành công của các kỹ thuật này bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các kỹ thuật hỗ trợ đi kèm như chọn lọc tinh trùng, trứng, phôi, … Vì vậy các kỹ thuật chọn lọc tinh trùng và trứng mới luôn được quan tâm và nghiên cứu. Trong một thập kỷ vừa qua, kỹ thuật dòng vi lỏng (Microfluidic) nổi lên như một hiện tượng của thế kỷ 21 nhờ những tiềm năng to lớn trong lĩnh vực hỗ trợ sinh sản. Bài viết này nhằm giới thiệu về kỹ thuật Microfluidic và ứng dụng trong lĩnh vực hỗ trợ sinh sản.

Giới thiệu về Microfluidic

Microfluidic là một kỹ thuật liên quan đến kiểm soát dòng chất lỏng bên trong các kênh có thể tích nhỏ được phát triển từ khoảng đầu những năm 90 của thế kỷ XX. Nhiều cách kiểm soát dòng chất lỏng đã được nghiên cứu và thực hiện như sử dụng dòng chảy, điện di hoặc gradient hóa chất và tất cả chúng đều cho kết quả đầy hứa hẹn.

Sau đó, kỹ thuật microfluidic đã dần được lan rộng trên nhiều lĩnh vực khác nhau từ hóa học, sinh học phân tử, sinh học phát triển, vận chuyển thuốc và đặc biệt là trong công nghệ hỗ trợ sinh sản (ART). Mặc dù vẫn còn một số hạn chế nhất định, microfluidic đã dần trở thành kỹ thuật đứng đầu trong lĩnh vực ART nhờ việc đơn giản hoá hoá quy trình thao tác bằng một con chip đơn giản.

Microfluidic trong chọn lọc tinh trùng

Chọn lọc tinh trùng là một bước quan trọng không thể thiếu trong lĩnh vực ART bởi vì khoảng 40% số cặp đôi vô sinh, hiếm muộn có nguyên nhân đến từ tinh trùng của người đàn ông. Nhiều công nghệ chọn lọc tinh trùng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong ART, trong đó 2 phương pháp truyền thống và phổ biến nhất là swim-up, ly tâm gradient tỷ trọng. Tuy nhiên, swim-up cho tỷ lệ tinh trùng di động không thật sự cao, còn ly tâm gradient tỷ trọng thì gặp vấn đề phân mảnh tinh trùng. Ngoài ra 2 phương pháp này cũng khá tốn thời gian.

Để vượt qua những khó khăn trên, Cho và Schuster (2003) đã ứng dụng kỹ thuật microfluidic vào quy trình phân lập tinh trùng di động trên tinh dịch người. Trong nghiên cứu này, thiết bị microfluidic sử dụng 2 dòng chảy (1 dòng từ tinh dịch và 1 dòng từ môi trường). Hai dòng chảy này sẽ giao nhau tại 1 khu vực và chỉ có tinh trùng đủ khoẻ mới có thể bơi ra khỏi dòng chảy để đến được đầu ra (Hình 1).

Nhiều nghiên cứu khác về microfluidic đã áp dụng nguyên lý tương tự kết hợp màng bán thấm chỉ cho phép các tinh trùng có kích cỡ phù hợp đi ra khỏi dòng chảy, nhờ đó tinh trùng thu nhận tại đầu ra có độ di động cực kỳ cao, hình dạng bình thường cũng như ít phân mảnh DNA hơn so với các kỹ thuật thông thường swim-up hay ly tâm gradient tỷ trọng.

Quy trình một bước đơn giản, dễ thu nhận tinh trùng chất lượng cao và đặc biệt là ít tốn thời gian và chi phí, tất cả điều đó đã giúp kỹ thuật microfluidic dần trở thành một xu hướng mới trên thế giới trong việc chọn lọc tinh trùng trong hỗ trợ sinh sản.

Microfludic trong chọn lọc trứng

Không giống như tinh trùng, số lượng tế bào trứng trong cơ thể là có hạn, có lẽ vì vậy mà các ứng dụng chọn lọc trứng bằng microfluidic không nhiều và hầu như chỉ được sử dụng trong chăn nuôi. Gần đây, Iwasaki và cộng sự (2018) đã sử dụng kỹ thuật microfluidic để chọn lọc trứng trên bò, nguyên lý của cơ bản dựa trên sự khác biệt về tốc độ lắng. Các tế bào trứng có chất lượng tốt hơn sẽ có tốc độ lắng tốt hơn trong dung dịch ưu trương, từ đó cho phép phân lập trứng bằng thiết bị microfluidic (Hình 2).

Microfluidic cũng được sử dụng để xử lý trứng trong quy trình ART. Trong buồng trứng, các tế bào trứng được bao bọc bởi một loại tế bào hạt đặc biệt gọi là cumulus tạo thành một cấu trúc gọi là COC. Trong cơ thể, lớp tế bào cumulus sẽ được loại bỏ một cách tự nhiên khi thụ tinh. Trong lâm sàng, lớp tế bào cumulus cần được loại bỏ bằng enzyme hyaluronidase kết hợp với xử lý cơ học bằng pipette trước khi thực hiện các kỹ thuật IVF hay ICSI. Kỹ thuật microfluidic có thể xử lý cơ học thay cho pipette giúp tiết kiệm thời gian, nguyên lý cơ bản dựa trên việc điều hướng dòng chất lỏng để COC đi qua một kênh hẹp nhằm loại bỏ lớp tế bào cumulus bám xung quanh.

Microfluidic trong nuôi cấy phôi

Nuôi cấy phôi trước khi cấy ghép là công việc hằng ngày của các trung tâm IVF, tuy nhiên hệ thống nuôi cấy tĩnh truyền thống không bắt chước được dòng chất lỏng trong ống dẫn trứng hay các lực tác động của tử cung và ống dẫn trứng. Do đó, nhiều thiết bị microfluidic đã được phát triển nhằm mô phỏng tốt hơn môi trường phát triển tự nhiên của phôi, giúp cải thiện tốc độ phát triển của phôi.

So với môi trường tĩnh, microfluidic có một số lợi thế về tiềm năng:

  • Tính động của dòng vi môi trường nuôi cấy.
  • Giảm thiểu thể tích môi trường nuôi cấy.
  • Kiểm soát chính xác môi trường nuôi cấy.
  • Giảm thao tác trên phôi giúp giảm stress cho phôi.

Mặc dù các kết quả nghiên cứu đầy hứa hẹn, nhưng các thiết bị được mô tả trong thí nghiệm vẫn chưa phải là một thiết bị microfluidic chân chính. Vì vậy, cần khá nhiều thời gian để có một thiết bị nuôi cấy phôi thật sự bằng microfluidic được ứng dụng trong lâm sàng.

Microfluidic trong trữ lạnh trứng, hợp tử và phôi

Kể từ ca sinh nở đầu tiên từ phôi người trữ lạnh, bảo quản lạnh đã trở thành một phần không thể thiếu trong ART. Có 2 phương pháp bảo quản lạnh là đông lạnh chậm (low-rate freezing) và thủy tinh hóa (vitrification). Hiện nay, vitrification chiếm ưu thế hơn so với low-rate freezing trong trữ lạnh trứng, hợp tử và phôi do có tỷ lệ sống xót sau đông lạnh cao (> 90%). Tuy nhiên, mối lo ngại lớn nhất trong trữ lạnh sinh học đó là những tổn thương mà tế bào phải chịu khi chuyển đổi qua lại giữa nước và hóa chất bảo quản.

Nhiều nghiên cứu sử dụng kỹ thuật microfluidic đã được tiến hành nhằm giảm thiểu tổn thương do hóa chất bảo quản gây ra. Gần đây, Guo và cộng sự (2019) đã sử dụng kỹ thuật microfluidic để đông – rã đông trứng lợn. Kết quả cho thấy tỷ lệ sống xót, phân chia và tạo thành phôi nang của nhóm đông – rã đông bằng microfluidic cao hơn đáng kể so với nhóm đông – rã đông bằng phương pháp từng bước.

Thiết bị microfluidic của Guo (Hình 3) sử dụng 2 dòng chất lỏng (1 dòng hóa chất bảo quản, 1 dòng môi trường), 2 dòng này gặp nhau sẽ tạo thành hỗn hợp. Bằng cách điều chỉnh tốc độ 2 dòng chảy, hàm lượng hóa chất bảo quản trong hỗn hợp sẽ thay đổi và nhờ vậy Guo có thể điều chỉnh hàm lượng hóa chất tăng giảm một cách tuyến tính. Cuối dòng chảy, thiết bị sẽ được gắn một ngăn để chứa trứng cùng một kênh để đưa trứng vào cũng như lấy trứng ra. Nhờ hàm lượng hóa chất bảo quản thay đổi tăng tuyến tính theo thời gian mà quá trình thay thế nước nội bào bằng hoá chất diễn ra từ từ cho đến khi thay thế hoàn toàn. Ở quy trình rã đông, thiết bị cũng hoạt động theo cơ chế tương tự với sự thay thế hóa chất bảo quản bằng môi trường sucrose.

Tài liệu tham khảo

  1. Cho, B. S., Schuster, T. G., Zhu, X., Chang, D., Smith, G. D., & Takayama, S. (2003). Passively driven integrated microfluidic system for separation of motile sperm. Analytical chemistry75(7), 1671-1675.
  2. Guo, Y., Yang, Y., Yi, X., & Zhou, X. (2019). Microfluidic method reduces osmotic stress injury to oocytes during cryoprotectant addition and removal processes in porcine oocytes. Cryobiology90, 63-70.
  3. Iwasaki, W., Yamanaka, K., Sugiyama, D., Teshima, Y., Briones-Nagata, M. P., Maeki, M., … & Miyazaki, M. (2018). Simple separation of good quality bovine oocytes using a microfluidic device. Scientific reports8(1), 14273.
  4. Le Gac, S., Nordhoff, V., & Venzac, B. (2019). Microfluidic Devices for Gamete Processing and Analysis, Fertilization and Embryo Culture and Characterization. In Applications of Microfluidic Systems in Biology and Medicine (pp. 197-225). Springer, Singapore.
  5. Schuster, T. G., Cho, B., Keller, L. M., Takayama, S., & Smith, G. D. (2003). Isolation of motile spermatozoa from semen samples using microfluidics. Reproductive biomedicine online7(1), 75-81.
  6. Smith, G. D., & Takayama, S. (2017). Application of microfluidic technologies to human assisted reproduction. MHR: Basic science of reproductive medicine23(4), 257-268.
  7. Thapa, S., & Heo, Y. S. (2019). Microfluidic technology for in vitro fertilization (IVF). JMST Advances, 1-11.
  8. Vaughan, D. A., & Sakkas, D. (2019). Sperm selection methods in the 21st century. Biology of reproduction.
  9. Weng, L. (2019). IVF-on-a-Chip: Recent Advances in Microfluidics Technology for In Vitro Fertilization. SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation, 2472630319851765.
  10. Yanez, L. Z., & Camarillo, D. B. (2017). Microfluidic analysis of oocyte and embryo biomechanical properties to improve outcomes in assisted reproductive technologies. MHR: Basic science of reproductive medicine23(4), 235-247.
  11. Yuan, P., Yan, L., & Smith, G. D. (2019). Microfluidics for Gamete Manipulation and Embryo Culture. In In Vitro Fertilization (pp. 213-225). Springer, Cham.