Ein neuartiger integrativer, nicht-invasiver Embryonenselektionsansatz für die In-vitro-Fertilisation basierend auf einer durch künstliche Intelligenz verstärkten morphokinetischen Analyse und Raman-Spektren in verbrauchten Kulturmedien

Unsere Studie wird zwei Phasen umfassen. In Phase I (einer retrospektiven Studie) werden archivierte Daten gesammelt, um die CNN-verstärkte MK-mit-RS-Methode zur Embryoselektion zu trainieren, was zum integrierten Ansatz (MK-RS) führt. In Phase II (einer prospektiven Studie) wird die etablierte integrierte MK-RS-Methode zur Auswahl von Embryonen, zur Beurteilung der klinischen Schwangerschaftsrate und zur Bewertung der Wirksamkeit unseres Ansatzes in einer randomisierten kontrollierten Studie eingesetzt.

In Phase I werden alle 10 Minuten Bilder des Embryos mit dem eingebauten Mikroskop und der Kamera im Zeitraffer-Inkubator aufgenommen. Die Bilder werden dann vom CNN-Algorithmus für die Segmentierung menschlicher Embryonen am ersten Tag ausgewertet, um drei unterschiedliche Merkmale zu identifizieren: die Zona pellucida (ZP), das Zytoplasma und den Vorkern (PN). Die Morphodynamik dieser drei Merkmale während der Befruchtung bis zur ersten Teilung wird als Zeitreihendaten für die Integration zusammengefasst. Die Morphologieänderungen nach der ersten Teilung werden halbautomatisch annotiert und durch das kommerzielle MK-Bewertungssystem (KID Score) analysiert.

Nach der Entfernung der Embryonen/Blastozysten aus der Kulturschale wird das entsprechende verbrauchte Kulturmedium (SCM) in sterilen Polymerase-Kettenreaktionsröhrchen (PCR) gesammelt. Mit dem gleichen Betriebsstandard werden auch leere Kulturmedien gesammelt. Mit einem speziell entwickelten Probenehmer werden 7 μl SCM jeder Probe durch die Ölschicht des SCM pipettiert und dann auf einen Einweg-Quarzglasobjektträger getropft und mit einem RS-System (Basecare Raman 200, China) beleuchtet. Das RS-System wird vor dem Test auf einem Siliziumwafer auf 520,5 cm-1 kalibriert. Die Laseranregungsparameter werden wie folgt eingestellt: 785 nm Wellenlänge, 320 mW Leistung und 100 μm Laserpunktdurchmesser. Die Signale werden im Standardmodus mit einer CCD-Kamera (Charge Coupled Device) mit einer Integrationszeit von 20 Sekunden erfasst. Für jedes Aliquot werden drei Wiederholungen durchgeführt. Eine Neukalibrierung ist unerlässlich, wenn verschiedene Kulturmedien getestet werden, da G-1-Medium für Embryonen vor Tag 3 und G-2-Medium für Embryonen nach Tag 3 verwendet wird. Alle erhaltenen Spektren werden durch Subtraktion des Hintergrundsignals vorverarbeitet. Spektroskopische Signale im Nahinfrarotbereich (600 cm-1–1800 cm-1) werden zur Vektornormalisierung mit der Software Labspec 6 (Horiba, Japan) analysiert. Unsere früheren SCM-Proben mit bekannten TE-Ploidie-Ergebnissen werden als Trainingsdatensatz verwendet, um Euploid-Aneuploid-Klassifizierungsstandards festzulegen. Aufgrund seiner hohen Gesamtgenauigkeit (95,9 %, unveröffentlichte Daten) wird der Stacking-Klassifizierungsalgorithmus übernommen.

Da die segmentierten Zeitreihen des CNN-Algorithmus, der KID-Score-Anmerkungen und der RS-Profiling-Ergebnisse Hunderte von Unterparametern enthalten, werden wir sie zusammen mit dem Ensemble-Lernen zusammenstellen, das jeden Unterparameter als schwachen Klassifikator betrachtet und seine Gewichtungen während des Trainings neu zuordnet. Der primäre Index für das Training ist das klinische Schwangerschaftsergebnis und für die Weiterführung der Informationen unter CNN-verstärktem MK und RS werden die Blastozystenbildungsergebnisse als sekundärer Index verwendet. Das Verhältnis von Trainingssatz und Testsatz beträgt 1:1 und im Trainingssatz wird eine 5-fache Kreuzvalidierung zur Überwachung der Überanpassung durchgeführt.

Phase II umfasst eine prospektive, einfach verblindete, randomisierte kontrollierte Studie zur Validierung der trainierten MK-RS-Methode für die Embryonenselektion. Metabolomisches SCM-Profiling unter Verwendung von RS mit CNN-verstärkter MK-Analyse wird zusammen mit herkömmlichen morphologischen Embryonenbewertungen zur Beurteilung des Entwicklungspotenzials des Embryos verwendet. Die Ergebnisse des Embryo-Entwicklungspotentials werden verwendet, um die beste Qualität der Embryonen auszuwählen. Sensitivität und Spezifität werden anhand der TE-Biopsie des Patienten oder der Ergebnisse nicht-invasiver pränataler Tests (NIPT) beurteilt, um die Bewertung der MK-RS-Methode, sofern verfügbar, weiter zu bestätigen.

Randomisierung:

In Phase II werden Teilnehmer, die alle Ein- und Ausschlusskriterien erfüllen und der Teilnahme an der Studie zustimmen, anhand einer computergenerierten Randomisierungsliste im Verhältnis 1 zu 1 in eine Versuchsgruppe und eine Kontrollgruppe randomisiert. Für die Versuchsgruppe wird die Embryonenauswahl auf der in Phase I etablierten MK-RS-Methode basieren, während die Embryonenauswahl für die Kontrollgruppe ausschließlich auf den traditionellen Ergebnissen der Embryomorphologiebewertung basieren wird. Alle Teilnehmer werden in diesem Versuch verblindet.