Bewertung der Auswirkungen einer reduzierten Sauerstoffkonzentration auf die Lebendgeburtenrate

Bei der Charakterisierung der optimalen Umgebung für einen sich entwickelnden Embryo in Kultur wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Diese Bemühungen basierten auf der Prämisse, dass die klinische Embryonenkultur die in vivo-Umgebung nachahmen sollte. Zu diesem Zweck haben Forscher große Anstrengungen unternommen, um jeden Aspekt der natürlichen Umgebung, der der frühe Embryo ausgesetzt ist, nachzubilden. Dieser fokussierte Ansatz hat zu erheblichen Modifikationen des Embryokultursystems im modernen In-vitro-Fertilisationslabor (IVF) und letztendlich zu Verbesserungen der Schwangerschaftsraten geführt.

Ein Bereich, der einer eingehenden Prüfung unterzogen wurde, ist die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration im Inkubator und der frühen embryonalen Entwicklung. Sauerstoff spielt eine zentrale Rolle im embryonalen Stoffwechsel. Der Verwertungsmechanismus ist abhängig vom Stadium der Embryonalentwicklung. Während der ersten 3 Tage der Entwicklung gelangt Sauerstoff durch passive Diffusion zum Embryo und sein Konzentrationsgradient wird durch den Sauerstoffverbrauch während der oxidativen Phosphorylierung reguliert. Ineffizienzen in diesem Prozess – aufgrund einer beeinträchtigten Integrität der inneren Mitochondrienmembran oder Änderungen der Substratverfügbarkeit – können zu einer übermäßigen Produktion schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies führen, die erhebliche Schäden an der Zellmaschinerie verursachen und letztendlich zu einem embryonalen Stillstand führen können.

Die Sauerstoffkonzentration, der der Embryo in der Kultur ausgesetzt ist, kann sich ebenfalls auf dieses fein ausbalancierte System auswirken und die metabolische Gesundheit eines Embryos verändern. In der Vergangenheit wurde die atmosphärische Sauerstoffkonzentration (ca. 20 %) ausschließlich in menschlichen IVF-Laboren für die Embryonenkultur verwendet. Mehrere Untersuchungen ergaben jedoch später, dass die physiologische Sauerstoffkonzentration im weiblichen Fortpflanzungstrakt weit unter dem atmosphärischen Niveau liegt und konstant bei <10% gemessen wird. Diese Beobachtungen führten zu mehreren Versuchen, in denen atmosphärische Sauerstoffkonzentrationen mit 5 % Sauerstoff in der Embryokultur verglichen wurden. Diese Studien zeigten signifikante Störungen in der Genexpression, Proteinsekretion und suboptimalen Nutzung von Aminosäuren und Kohlenhydraten in Embryonen, die in atmosphärischem Sauerstoff kultiviert wurden. Dieselben Vergleiche wurden in klinischen IVF-Studien durchgeführt und zeigten, dass Embryonen, die in 5 % Sauerstoff kultiviert wurden, durchweg zu einer Erhöhung der klinischen Schwangerschaftsrate und der Lebendgeburtenrate führten. Eine Metaanalyse zu diesem Thema legte nahe, dass eine Klinik mit einer Basislebendgeburtenrate von 30 % eine Verbesserung von bis zu 13 % erwarten könnte, wenn sie Embryonen bei 5 % O2 kultiviert.

Als Ergebnis dieser überzeugenden Daten kultivieren die meisten modernen IVF-Programme jetzt ausschließlich Embryonen bei einer Sauerstoffkonzentration von 5 %. Einige haben jedoch vorgeschlagen, dass die Sauerstoffkonzentration, der der Embryo nach Tag 3 der Entwicklung ausgesetzt ist, tatsächlich weniger als 5 % beträgt. Diese Daten stammen von der Idee, dass der Embryo die utero-tubale Verbindung am Tag 3 der Entwicklung in vivo überquert. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Gebärmutter mit etwa 2 % tatsächlich niedriger ist als die im Eileiter. Somit würde das physiologischste Embryokultursystem Embryonen bis zum Tag 3 in 5 % Sauerstoff kultivieren und dann die Sauerstoffkonzentration bis zum Transfer oder zur Kryokonservierung am Tag 5 oder 6 auf 2 % verringern.

Eine Änderung der optimalen Sauerstoffkonzentration für einen Embryo am Tag 3 würde zu einer allgemeinen Verschiebung der metabolischen Anforderungen von Embryonen in diesem Entwicklungsstadium passen. Die Aktivierung des embryonalen Genoms erfolgt am Tag 3, was zu einem signifikanten Anstieg der biosynthetischen Aktivität führt. Auch das Stoffwechselverhalten von Embryonen ändert sich in dieser Zeit erheblich. Der Embryo ändert seine Stoffwechselstrategie von der oxidativen Phosphorylierung zum Glucose-basierten Stoffwechsel in Form der aeroben Glykolyse und des Zitronensäurezyklus. Während dieses als Kompaktierung bezeichneten Prozesses weisen Embryonen einen stark erhöhten Sauerstoffverbrauch auf.

Die physiologische Umgebung des weiblichen Fortpflanzungstraktes spiegelt tendenziell die metabolischen Bedürfnisse des sich entwickelnden Präimplantationsembryos wider. Da der Embryo nach der Verdichtung und beim Eintritt in die Gebärmutter seine Stoffwechselstrategie ändert, ist es durchaus möglich, dass eine reduzierte Sauerstoffkonzentration in der Gebärmutter die energieproduzierenden Mechanismen dieses Stadiums der Embryonalentwicklung am besten unterstützt. Die Rekapitulation dieser Umgebung in Kultur kann die embryonale Entwicklung und die langfristige Gesundheit von Schwangerschaften infolge von IVF verbessern.

Diese Theorie wurde in zwei kürzlich durchgeführten Pilotstudien bestätigt. Die erste Studie, die kürzlich auf dem Scientific Meeting der American Society for Reproductive Medicine 2016 mit dem Prize Paper Award ausgezeichnet wurde, ordnete randomisierte Embryonen, die für die Forschung gespendet wurden, nach dem 3 sie wurden in einer Sauerstoffkonzentration von 2 % kultiviert. Die in dieser Untersuchung untersuchten Embryonen wurden jedoch am 3. Tag nach der Spende für die Forschung entweder abnormal befruchtet oder durch die Kryokonservierung erwärmt. Keines davon war für den klinischen Gebrauch bestimmt.

Angesichts dieser Einschränkungen hat unsere Gruppe kürzlich eine Studie abgeschlossen, in der Embryonen verwendet wurden, die für den klinischen Gebrauch bestimmt waren (Copernicus IRB: RMA-2016-02). In diese Studie haben wir 60 Patienten aufgenommen und alle laufenden Embryonen am Tag 3 der Entwicklung aufgeteilt, um sie bis zum Blastozystenstadium entweder in 2 % oder 5 % Sauerstoff zu kultivieren. Die Ergebnisse wurden noch nicht veröffentlicht, aber die Kultur in 2 % Sauerstoff nach Tag 3 produzierte mehr Blastozysten als die Kultur in 5 % Sauerstoff. Insgesamt erreichten bei 30 Patienten mehr Embryonen die Blastozyste in 2 % Sauerstoff, während nur bei 17 Patienten mehr Embryonen die Blastozyste in 5 % Sauerstoff erreichten. Bei zehn Patienten war die Anzahl in beiden Fällen gleich (drei schieden aus der Studie aus). Dieser Unterschied erreichte statistische Signifikanz.

Diese erste Studie wurde entwickelt, um speziell die Entwicklungsleistung von Embryonen unter beiden Bedingungen zu bewerten. Es sind jedoch auch einige Schwangerschaftsdaten von Patientinnen verfügbar, die diese Embryonen transferiert haben. In dieser ersten Studie hatten die Kulturbedingungen keinen Einfluss auf die Entscheidung, welcher Embryo übertragen werden sollte. Dies war gegenüber Embryologen und Patienten verblindet und es wurden nur typische Morphologiekriterien verwendet. Wiederum zeigten bei 5 % der Patienten, die zum Embryotransfer übergegangen sind, Embryonen, die in 2 % Sauerstoff kultiviert wurden, eine bessere Leistung als die ausschließlichen (88,9 % [16/18] vs. 62,5 % [15/24]

Diese anfängliche Studie war jedoch nicht darauf ausgelegt, speziell die Frage zu testen, ob 2 % gegenüber 5 % Sauerstoff in einer verlängerten Kultur zu besseren Schwangerschaftsergebnissen führt. Die Patienten wurden weder zu 2 % noch zu 5 % Sauerstoff randomisiert. Daher sind aktuelle Schwangerschaftsdaten anfällig für eine gewisse Verzerrung, und es ist eine besser kontrollierte Studie erforderlich, um die Auswirkungen einer reduzierten Sauerstoffkonzentration in der Kultur auf die wichtigsten Ergebnisse zu bewerten: die Lebendgeburtenrate.

Zweck der vorgeschlagenen Studie Diese Studie versucht, die klinischen Ergebnisse von Embryonen zu vergleichen, die bei einer Sauerstoffkonzentration von 2 % und einer Sauerstoffkonzentration von 5 % nach der Verdichtung kultiviert wurden. Das primäre Studienergebnis wird die Lebendgeburtenrate sein. Zu den sekundären Ergebnissen gehören die Fehlgeburtsrate, das Gestationsalter bei der Geburt, das Geburtsgewicht bei der Geburt, die Blastulationsrate des Embryos, der Ploidiestatus des Embryos (aneuploid oder euploid) und morphologische Parameter (Expansion, Grad der inneren Zellmasse, Grad des Trophektoderms). Die kumulative Lebendgeburtenrate aller Embryonen, die aus dem Stimulationszyklus der Studie stammen, wird ebenfalls erfasst und analysiert. Dies wird theoretisch zeigen, ob ein Vorteil in der Anzahl verfügbarer Blastozysten für den Transfer zu einer größeren Reproduktionseffizienz führt, wenn eine erweiterte Kultur bei 2 % Sauerstoff durchgeführt wird.