Evaluatie van de impact van verminderde zuurstofconcentratie op levend geboortecijfer

Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het karakteriseren van de optimale omgeving voor een zich ontwikkelend embryo in kweek. Deze inspanningen zijn gebaseerd op de vooronderstelling dat de klinische embryocultuur de in vivo-omgeving moet nabootsen. Daartoe hebben onderzoekers zich tot het uiterste ingespannen om elk aspect van de natuurlijke omgeving waaraan het vroege embryo wordt blootgesteld, na te bootsen. Deze gerichte aanpak heeft geleid tot aanzienlijke aanpassingen van het embryokweeksysteem in het moderne laboratorium voor in-vitrofertilisatie (IVF) en uiteindelijk tot verbeteringen in de zwangerschapspercentages.

Een gebied dat veel aandacht heeft gekregen, is de relatie tussen de zuurstofconcentratie in de couveuse en de vroege embryonale ontwikkeling. Zuurstof speelt een centrale rol in het embryonale metabolisme. Het mechanisme dat het gebruik ervan regelt, is afhankelijk van het stadium van de embryonale ontwikkeling. Tijdens de eerste 3 dagen van ontwikkeling bereikt zuurstof het embryo via passieve diffusie en wordt de concentratiegradiënt gereguleerd door zuurstofverbruik tijdens oxidatieve fosforylering. Inefficiënties in dit proces - als gevolg van aangetaste integriteit van het binnenste mitochondriale membraan of veranderingen in de beschikbaarheid van substraat - kunnen leiden tot overmatige productie van schadelijke reactieve zuurstofspecies die aanzienlijke schade aan cellulaire machines kunnen veroorzaken en uiteindelijk kunnen leiden tot embryonale arrestatie.

De zuurstofconcentratie waaraan het embryo in de kweek wordt blootgesteld, kan ook van invloed zijn op dit delicaat uitgebalanceerde systeem en de metabole gezondheid van een embryo veranderen. Historisch gezien werd de zuurstofconcentratie in de lucht (ongeveer 20%) uitsluitend gebruikt in menselijke IVF-laboratoria voor de kweek van embryo's. Uit meerdere onderzoeken bleek later echter dat de fysiologische concentratie van zuurstof in het vrouwelijke voortplantingsstelsel ver onder de atmosferische niveaus ligt en consistent wordt gemeten op <10%. Deze waarnemingen leidden tot meerdere proeven waarbij de zuurstofconcentraties in de lucht werden vergeleken met 5% zuurstof in embryocultuur. Deze onderzoeken toonden significante verstoringen aan in genexpressie, eiwitsecretie en suboptimaal gebruik van aminozuren en koolhydraten in embryo's gekweekt in atmosferische zuurstof. Dezelfde vergelijkingen werden gemaakt in klinische IVF-onderzoeken en toonden aan dat embryo's gekweekt in 5% zuurstof consequent resulteerden in een toename van het aantal klinische zwangerschappen en het aantal levendgeborenen. Een meta-analyse van dit onderwerp suggereerde dat een kliniek met een baseline levend geboortecijfer van 30% een verbetering van maar liefst 13% zou kunnen verwachten bij het kweken van embryo's bij 5% O2.

Als resultaat van deze overtuigende gegevens kweken de meeste moderne IVF-programma's nu uitsluitend embryo's met een zuurstofconcentratie van 5%. Sommigen hebben echter voorgesteld dat de zuurstofconcentratie waaraan het embryo wordt blootgesteld na dag 3 van ontwikkeling in feite lager is dan 5%. Deze gegevens zijn afkomstig van het idee dat het embryo de utero-tubaire overgang passeert op dag 3 van ontwikkeling in vivo. Meerdere onderzoeken hebben aangetoond dat de zuurstofconcentratie in de baarmoeder met ongeveer 2% lager is dan die in de eileider. Het meest fysiologische embryokweeksysteem zou dus embryo's in 5% zuurstof kweken tot dag 3 en vervolgens de zuurstofconcentratie verlagen tot 2% tot overdracht of cryopreservatie op dag 5 of 6.

Een verandering in de optimale zuurstofconcentratie voor een embryo op dag 3 zou passen bij een algemene verschuiving in de metabolische vereisten van embryo's in dit ontwikkelingsstadium. Activering van het embryonale genoom vindt plaats op dag 3, wat leidt tot een significante toename van de biosynthetische activiteit. Ook het metabole gedrag van embryo's verschuift in deze tijd aanzienlijk. Het embryo verandert zijn metabolische strategie van oxidatieve fosforylering naar een op glucose gebaseerd metabolisme in de vorm van de aërobe glycolyse en de citroenzuurcyclus. Tijdens dit proces, compactie genoemd, vertonen embryo's een sterk verhoogd zuurstofverbruik.

De fysiologische omgeving van het vrouwelijke voortplantingsstelsel lijkt de metabole behoeften van het zich ontwikkelende pre-implantatie-embryo te weerspiegelen. Aangezien het embryo zijn metabolische strategie verschuift na verdichting en bij het binnengaan van de baarmoeder, is het zeker mogelijk dat een verlaagde zuurstofconcentratie in de baarmoeder de energieproducerende mechanismen van deze fase in de embryonale ontwikkeling het best ondersteunt. Het recapituleren van deze omgeving in cultuur kan de embryonale ontwikkeling en de gezondheid op lange termijn van zwangerschappen als gevolg van IVF verbeteren.

Deze theorie is bevestigd in twee recente pilotstudies. De eerste studie, onlangs bekroond met de Prize Paper Award op de 2016 American Society for Reproductive Medicine Scientific Meeting, gerandomiseerde embryo's gedoneerd aan onderzoek tot 2% of 5% zuurstofconcentratie na dag 3 van ontwikkeling en vond dat embryo's twee keer zoveel kans hadden om te blastuleren als ze werden gekweekt in een zuurstofconcentratie van 2%. Embryo's die in dit onderzoek werden bestudeerd, werden echter abnormaal bevrucht of opgewarmd door cryopreservatie op dag 3 nadat ze voor onderzoek waren gedoneerd. Geen ervan was bedoeld voor klinisch gebruik.

Met deze beperkingen in het achterhoofd heeft onze groep onlangs een studie afgerond met embryo's die bedoeld zijn voor klinisch gebruik (Copernicus IRB: RMA-2016-02). In deze studie namen we 60 patiënten op en splitsten we alle embryo's op dag 3 van ontwikkeling in kweek in 2% of 5% zuurstof tot het blastocyststadium. De resultaten zijn nog niet gepubliceerd, maar kweken in 2% zuurstof na dag 3 leverde meer blastocysten op dan kweken in 5% zuurstof. In totaal hadden 30 patiënten meer embryo's die blastocyst bereikten in 2% zuurstof, terwijl slechts 17 patiënten meer embryo's hadden die blastocyst bereikten in 5% zuurstof. Tien patiënten hadden een gelijk aantal in beide condities (3 trokken zich terug uit het onderzoek). Dit verschil bereikt statistische significantie.

Deze initiële studie was bedoeld om specifiek de ontwikkelingsprestaties van embryo's in beide omstandigheden te evalueren. Er zijn echter ook enkele zwangerschapsgegevens beschikbaar van patiënten die zijn overgegaan tot het terugplaatsen van deze embryo's. In deze eerste studie hadden kweekomstandigheden geen invloed op de beslissing welk embryo teruggeplaatst moest worden. Dit was blind voor embryologen en patiënten en er werden alleen typische morfologische criteria gebruikt. Nogmaals, van de patiënten die zijn overgegaan tot embryotransfer, presteerden embryo's die waren gekweekt in 2% zuurstof beter dan die uitsluitend in 5% (88,9% [16/18] vs. 62,5% [15/24]

Deze eerste studie was echter niet bedoeld om specifiek de vraag te testen of 2% versus 5% zuurstof in uitgebreide kweek betere zwangerschapsuitkomsten oplevert. De patiënten werden niet gerandomiseerd naar 2% of 5% zuurstof. De huidige zwangerschapsgegevens zijn dus vatbaar voor enige vertekening en er is een beter gecontroleerd onderzoek nodig om de impact van verminderde zuurstofconcentratie in kweek op de belangrijkste uitkomsten te evalueren: levend geboortecijfer.

Doel van de voorgestelde studie Deze studie probeert de klinische resultaten te vergelijken van embryo's gekweekt bij een zuurstofconcentratie van 2% en een zuurstofconcentratie van 5% na verdichting. Het primaire resultaat dat wordt bestudeerd, is het levend geboortecijfer. Secundaire uitkomsten zijn onder meer het aantal miskramen, de zwangerschapsduur bij de bevalling, het geboortegewicht bij de bevalling, de snelheid van embryoblastulatie, de ploïdiestatus van het embryo (aneuploïde of euploïde) en morfologische parameters (expansie, graad van binnenste celmassa, graad van trophectoderm). Het cumulatieve levend geboortecijfer van alle embryo's die afkomstig zijn uit de studiestimulatiecyclus zal ook worden verzameld en geanalyseerd. Dit zal in theorie onthullen of enig voordeel in het aantal beschikbare blastocysten voor overdracht zich vertaalt in een grotere reproductie-efficiëntie wanneer uitgebreide kweek wordt uitgevoerd met 2% zuurstof.