Characterization of the factors influencing on embryo quality and outcomes in human assisted reproductive technologies

Abstract

난임 치료를 위해 난자와 배아를 다루는 보조생식술(Assisted reproductive technologies, ART)는, 1978년 최초 시험관 아기인 루이스 브라운의 출생 이후 지속적으로 개선되고 발전하고 있다. 기본적으로 체외수정 (In vitro fertilization, IVF), 배아의 배양, 그리고 배아이식(Embryo transfer, ET)을 포함하고 있는 보조생식술은, 과배란유도(Controlled ovarian hyperstimulation, COH), 착상전유전진단(Preimplantation genetic diagnosis, PGD), 그리고 대리모시술(Surrogacy) 등과 같이 폭넓은 분야를 모두 포함하고 있다. 본 연구는 인간 보조생식술에서 배아의 질과 임신결과에 미치는 요인들의 특성을 규명하기 위하여 수행되었다. 제 1장에서는 ART 중에서 수정 현상, 배양 조건과 이식 요인을 중심으로 세포질내정자수입술(intracytoplasmic sperm injection; ICSI), 고환정자채취술(Testicular sperm extraction, TESE), 포배기배아 배양 및 이식, 배양환경 및 배양기 등에 대한 기반적 접근과 본 연구의 개요를 설명하였다. 제 2장에서는 대표적인 수정 방법인 일반 수정(conventional in vitro fertilization)과 세포질내정자주입술의 효용성을 비교하였다. 초기 세포질내정자주입술은 남성난임 요인을 치료하기 위해 개발되었다. 그 후 세포질내정자주입술의 시행 범위가 확대되어 남성난임 요인이 아닌 경우에도 적용되었다. 그러나 비남성난임 요인을 가진 경우, 세포질내정자주입술의 효용성에 대한 충분한 근거는 아직 규명되지 않았다. 이에 2장에서는 비남성난임 요인에 대한 세포질내정자주입술의 효용성을 확인하기 위하여, 분할수정(split insemination) 시술에서 일반수정과 세포질내정자주입술의 결과를 비교하였다. 수정률과 배아의 질은 일반수정과 세포질내정자주입술에서 차이가 없었다. 따라서, 비남성난임요인의 경우 세포질내정자주입술의 시행이 수정상의 문제가 없는 경우 꼭 필요하지 않을 것으로 사료된다. 제 3장에서는 획기적인 보조생식술 기법 중 하나인 고환조직정자채취술의 효용성을 분석하였다. 고환조직정자채취술과 세포질내정자주입술을 함께 시행함으로써, 무정자증 환자에서도 성공적인 임신결과를 얻을 수 있다고 보고되고 있다. 많은 연구들에서 포배기배아 배양 및 이식을 통한 임신율의 향상이 보고되고 있다. 따라서 3장에서는 고환조직정자채취술을 통하여 회수된 고환정자를 사용하여 발달된 배아와 사정된 정자를 사용하여 발달된 배아의 포배기배아 형성과 포배기배아의 질을 비교하여 그 효용성을 확인하였다. 포배기배아 형성률과 질은 두 군간에 유의한 차이 없었다. 이는 정자의 수정 이후 배발생에 있어서의 발생 능력은 세정관 내 정자도 사정된 정자와 동일함을 의미한다. 종합하여 보면 적절한 수의 난자를 얻을 수 있고, 고환조직정자채취술을 통하여 정자를 얻을 수 있다면, 무정자증 환자에서도 포배기배아 배양 및 이식주기를 고려해 볼 수 있을 것이라고 사료된다. 제 4장에서는 배아발달을 최적화하고, 이식할 수 있는 우수한 배아를 얻기 위한 배양조건에 관한 연구를 시행하였다. 배양 환경에서 가장 중요한 것은 배양기 내 산소농도, pH, 및 온도의 안정성 등 이다. 배양기의 산소농도, pH, 온도 등의 조건을 조절함으로써 배아배양 환경을 최적화 시킬 수 있다. 4장에서는 배양조건 중 산소농도가 배아의 질과 임신률에 미치는 영향을 알아보았다. 산소농도는 생리학적 농도 (5 % O2, 5 % CO2, 90 % N2)와 대기 농도(공기중의 20% O2와 균형을 이루는 5% CO2)로 나누어 각각 배아를 배양하였다. 연구결과, 두 군간 수정 및 배아의 질에서 유의한 차이는 없었다. 그러나, 생리학적 산소농도(5 % O2)에서 배양한 배아의 착상률은 대기 산소농도에서 배양한 배아의 착상률에 비하여 통계적으로 유의하게 높게 나타났다. 본 연구결과 산소농도에 따른 수정과 배아의 질에 차이가 없었으나 생리학적 산소농도(5 % O2)의 배양 조건이 체외수정의 성공률을 높일 수 있는 것으로 사료된다. 제 5장에서는 배양액으로의 온도 전달과 배양접시와의 밀착 정도가 서로 다른 배양기에 따라 배아의 질과 임상결과에 미치는 영향에 관하여 연구를 진행하였다. 전통적으로 사용되어온 표준형 박스 형태의 배양기(Standard Box-Type incubators)와 건조형 벤치탑 배양기(Benchtop incubators)의 두 가지 유형의 배양기에서 배아를 배양한 후 이식한 결과를 비교하였다. 연구결과 배아의 질을 제외한 임상결과는 두 군간 차이가 없었다. 배아의 질은 건조형 벤치탑 배양기에서 배양했을 통계적으로 유의하게 더 우수한 것으로 나타났다. 이것은 건조형 벤치탑 배양기가 추구하는 빠른 가스농도와 온도의 회복 때문인 것으로 추정된다. 한편 질적으로 동일하다고 판단된 배아를 이식한 후 착상율에서 유의한 차이는 없었다. 따라서 배양기의 환경 배양 환경 회복 정도를 분석하여 어떤 유형의 배양기를 사용하는 것이 좋은 가를 판단하여 사용할 필요가 있다. 이와 같이, 수많은 보조생식술이 체외수정 시술의 결과에 직접 또는 간접적으로 영향을 미친다. 따라서 성공적인 결과를 얻기 위해서는 철저한 조사와 신중한 판단을 통한 보조생식술의 결정과 지속적인 배양환경의 관리 및 시술이 필요할 것으로 사료된다. | Assisted reproductive technologies (ARTs) involve all fertility treatment in which either oocytes or embryos are handled to result in pregnancy, and have been continuously improved since the birth of Louise Brown in 1978 so far. The field of ARTs basically includes in vitro fertilization (IVF), embryo culture, and embryo transfer (ET). This study was performed to characterize the factors influencing on embryo quality and outcomes in human ARTs. In chapter 1, ARTs, such as, intracytoplasmic sperm injection (ICSI), testicular sperm extraction (TESE), blastocyst culture and transfer, culture environment, and incubator were explained and overview of this study was talked. In chapter 2, efficiency of fertilization methods (conventional IVF and ICSI) was compared. Intracytoplasmic sperm injection (ICSI) was initially developed to treat male factor infertility. However, recently, ICSI is largely applied even to non-male factor infertility, without solid evidence of effectiveness of ICSI in those cases. Thus, this study has compared the outcomes of conventional IVF and ICSI with split-insemination method, and confirmed the efficiency of ICSI on non-male factor infertility. The fertilization rate and embryo quality were not different between IVF and ICSI in split insemination cycles. According to results, ICSI in non-male factor infertility was unnecessary. In chapter 3, to analyze the efficacy of testicular sperm, this study focused on testicular sperm extraction (TESE) technique. ICSI combined with TESE (one of the most innovative and highly contributing ARTs) has been successfully established now, and reported to achieve good fertilization and pregnancy outcomes comparable to those of ICSI with ejaculated sperm. In addition, a number of studies have demonstrated that blastocyst transfer could improve the clinical outcomes of IVF. In this study, the clinical outcomes of ICSI performed using ejaculated or TESE sperm were compared in blastocyst ET cycles. There were no significant differences in blastocyst formation and good quality blastocyst rates between ejaculated and TESE sperm groups. Based on these results, blastocyst transfer may be considered when the appropriate numbers of oocyte are retrieved and motile sperm are identified in ICSI cycles using testicular sperm. In Chapter 4, the culture conditions were evaluated in order to optimize embryo development and to increase the number of good quality embryos. The most important thing in a culture environment is a laboratory incubator and its condition such as oxygen tension, pH, and temperature stability, which can impact on embryo development. Therefore, in this study, the effect of oxygen concentration on embryo quality and implantation rate was examined in IVF-ET cycles. In this study, different gas phases [physiological (5% O2, 5% CO2, and 90% N2) or atmospheric (5% CO2 with the balance as air) condition] were applied to the retrieved oocytes and embryos during culture periods. There were no significant differences between two groups with respect to fertilization and good quality embryo rates. However, the implantation rate of the physiological (5%) oxygen concentration group was significantly higher than that of atmospheric (20%) oxygen concentration group. Thus, this study could conclude that the physiological oxygen concentration rather than atmospheric one was more effective in increasing IVF success rates, even though fertilization and good quality embryo rates did not reflect the difference of oxygen concentration. In chapter 5, the effect of incubator types on embryo quality and clinical outcomes was evaluated by comparing two types of incubators, standard large box-type incubators (SI) as a humid type and benchtop incubator (BTI) as a dry type. There were no significant differences in clinical outcomes between two types of incubator except embryo quality. The embryo quality of BTI groups was significant higher than that of SI group. It may be because BTI provides faster recovery of environmental variables including gas concentrations, and temperature. Numerous ARTs could affect the IVF-ET outcomes directly or indirectly. Therefore, thorough investigation and careful consideration are required when setting up and managing the IVF environment in order to achieve successful results for patients.