Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Tüketilmiş İnsan Embriyo Kültürü Ortamının Nükleer Manyetik Rezonans Metabolomik Analizi: Yöntem Doğrulama ve Teknik Değerlendirmeler

97 görüntülenme

DOI:

10.3791/71285

31 Temmuz 2026

Bu makalede

Özet

Burada, rutin klinik kültür koşullarında mikrolitre ölçekli örneklerden düşük moleküler ağırlıklı metabolitlerin tekrarlanabilir tespitini mümkün kılan nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi kullanılarak insan embriyosu kültür ortamının toplanması, hazırlanması ve analizi için bir protokol sunuyoruz.

Özet

Harcanmış insan embriyo kültür ortamı, preimplantasyon embriyo fizyolojisinin invaziv olmayan bir gösterisi sağlayabilen düşük moleküler ağırlıklı metabolitler içerir. Ancak, bu örneklerin nükleer manyetik rezonans (NMR) tabanlı metabolom analizi teknik olarak zordur çünkü rutin embriyo kültürü koşulları mikrolitre hacimleri, protein takviyesi ve parafin yağı örtüleri arka plan sinyalleri üretir ve spektral kaliteyi bozur. Burada, yağ kontaminasyonunu en aza indirmek için kontrollü damla toplama, mikrolitre hacimlerini karşılayarak örneği kimyasal olarak izole etmek için florlu etilen propilen (FEP) tüp astarları içeren ve makromoleküler arka plan sinyallerini bastırmak için Carr-Purcell-Meiboom-Gill darbe dizisi kullanılarak alınan tüketilmiş embriyo kültür ortamı için optimize edilmiş bir NMR metabolomik iş akışı sunuyoruz. Protokol, bireysel olarak kültürlenmiş insan embriyolarından düşük moleküler ağırlıklı metabolitlerin tutarlı şekilde tespit ve nicelendirilmesini sağlar ve rutin laboratuvar koşullarında tekrarlanabilir analizi destekler. Birçok teknik zorluk nedeniyle, yöntem araştırma veya klinik amaçlarla kullanılmadan önce doğru şekilde doğrulanmalıdır.

Giriş

İnimplantasyon öncesi gelişim sırasında embriyolar, çevredeki ortama düşük moleküler ağırlıklı metabolitleri sürekli tüketir ve salgılar. Bu nedenle, harçlanan embriyo kültür ortamının (SECM) bileşimi, embriyo metabolik aktivitesini yansıtır ve embriyo fizyolojisi ile gelişimsel yeterliliğinin invaziv olmayan fonksiyonel bir okumasınısağlar 1,2. Bu metabolik ayak izinin analizi, geleneksel değerlendirme yöntemlerini tamamlayabilir ve destekli üreme teknolojisinde embriyo seçme stratejilerinigeliştirebilir 3,4. Özellikle, amino asit ve karbonhidrat dönüşümündeki değişiklikler embriyo gelişim potansiyeli ve canlılığı 5,6,7 ile ilişkilendirilmiştir.

Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi, harcanmış embriyo kültürortamları 8,9,10 dahil olmak üzere çeşitli biyolojik örneklerin hedefsiz metabolit profillenmesinde yaygın olarak kullanılır. Ancak, bu örneklerin analizi analitik açıdan zorlayıcı olmayadevam etmektedir 11. Rutin klinik uygulamada, embriyolar fizyolojik koşulları taklit edecek şekilde tanımlanmış mikro ortamlarda kültürlenir. Kültür ortamları, osmotik basıncı stabilize etmek, toksik bileşikleri bağlamak ve normal gelişimi destekleyen lipidler ile büyüme faktörleri için taşıyıcı moleküller sağlamak için genellikle albümin gibi proteinlerle takviyeedilir. Buharlaşmayı önlemek ve sabit çözünen konsantrasyonlarını korumak için, kültür damlacıkları steril parafinyağı 13 ile örtülür.

Üst üste örtülen yağ ve protein bileşenlerinden kaynaklanan lipidler, glikoz, piruvat ve amino asitler gibi düşük moleküler ağırlıklı metabolitlerden gelen dar rezonansları gizleyen geniş arka plan sinyalleri üretir. Ayrıca, standart 5 mm NMR tüplerinde mikrolitre örnek hacimlerinin analizi, RF bobininin aktif hacmine ulaşmak için önemli ölçüde seyreltme gerektirir. Analit konsantrasyonundaki bu azalma, sinyal-gürültü oranını (S/N) ciddi şekilde azaltır, düşük bolluklu metabolitleri gizler ve tekrarlanabilir nicelik belirlemeyi engeller. Birçok çalışma NMR tabanlı metabolomikleri insan embriyosu kültür ortamına uygulamış olsa da, standart ve tekrarlanabilir toplama ve hazırlama protokollerinin eksikliği, tekrarlanabilirlik ve çalışmalar arası karşılaştırılabilirliğisınırlamıştır 8,9,11.

Burada, insan embriyo kültür ortamının örnekleme ve analiziyle ilgili teknik zorlukları aşmak için tasarlanmış NMR tabanlı metabolomik iş akışını (Şekil 1) sunuyoruz. Yaklaşım, yağ taşınmasını azaltmak için kontrollü damla toplama, sulandırma artefaktlarını önlemek için florlu etilen propilen (FEP) astarları kullanılarak mikrolitre hacmi alımını ve Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) darbe dizisi kullanılarak makromoleküler sinyal zayıflatmasını birleştirir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Bu çalışma, Ocak ile Nisan 2023 arasında Slovenya'daki Maribor Üniversitesi Tıp Merkezi Üreme Tıp ve Jinekolojik Endokrinoloji Bölümü'nde gerçekleştirilmiştir. NMR analizi, Slovenya'nın Ljubljana kentindeki Ulusal Kimya Enstitüsü'nde gerçekleştirilmiştir. Tüm katılımcılardan yazılı bilgilendirilmiş onay alındı. Hem Kurumsal Etik Komitesi (No: UKC-MB-KME-1/21) hem de Ulusal Tıbbi Etik Komitesi'nden (No: 0120-37/2021/15) onay aldı.

1. Çalışma tasarımı

NOT: Çalışma, insan harcanmış embriyo kültür ortamını NMR tabanlı metabolomiklerle analiz etmiştir.

  1. İntrasitoplazmik sperm enjeksiyonu (ICSI) sonrası uzun embriyo kültüründen sonra örnekler toplayın. Eşit sayıda harcanmamış kuluçka kontrol örneği toplayın.

2. Örnek toplama

  1. Embriyo kuluçkasından sonra kullanılmış embriyo kültür ortamı (SECM) örneklerini toplayın, Şekil 2'de gösterildiği gibi.
  2. Embriyo kültür damlasından çıkarıldıktan sonra, kültür kabının yüzeyinden fazla örtü yağını ortamı rahatsız etmeden dikkatlice emin (Şekil 2, adım 1).
  3. Steril pipet kullanılarak, orijinal damladan yaklaşık 35 μL kültür ortamı aspire edilir, kalıntı yüzey yağını çekmemek için yaklaşık 5 μL bırakılır. Bu hacmi steril bir Petri kabına aktararak yeni bir damla oluşturun (Şekil 2, adım 2).
  4. Stereomikroskop altında, yeni oluşan damlayı görsel olarak inceleyin. Bu damladan dikkatlice yaklaşık 30 μL çekin, yine yağ taşınmasını en aza indirmek için yaklaşık 5 μL bırakın. Bu hacmi ikinci steril bir yere aktararak temizleyici bir damla oluşturun (Şekil 2, adım 3).
  5. İkinci damlayı büyütme altında görsel olarak inceleyin. Yağ damlalarının en az belirgin olduğu bölgeleri belirleyin. Pipet ucunu bu bölgeye yerleştirin ve yaklaşık 25 μL ortam aspirasyonu yapın, yine yağ taşınmasını en aza indirmek için yaklaşık 5 μL bırakın (Şekil 2, adım 4).
  6. Toplanan 25 μL'yi hemen steril, RNase-içermeyen bir mikrosantrifüj tüpüne aktarın. Numuneyi dağıtırken kirlenme ve örnek kaybını önlemek için tüpün iç duvarlarına dokunmaktan kaçının. Toplanan tüm örnekleri hemen sıvı azotta dondurun ve NMR analizine kadar -80 °C'de saklanın (Şekil 2, adım 5).
  7. Aynı kültür tabakaları, örtü yağı, kuluçka süresi, kuluçka ortamı ve aşağıda tanımlanan işleme prosedürü kullanılarak aynı kültür koşullarında hazırlanmış, kuluçka ve işlenmiş eşleşen kuluçka kontrol damlacıklarını (embriyolar olmadan orta ölçekte kuluçka için) toplayarak çevresel değişkenliği ve potansiyel sistematik yanlılığı en aza indirin.
    NOT: Sıralı damla transferine ve görsel incelemeye sıkı uyulmak, yağ kirliliğini önemli ölçüde azaltır. Bu aşamada, deney duraklatılabilir ve NMR alımı için daha fazla örnek işlemeden önce devam edilebilir.

3. NMR analizi için örnek hazırlama

  1. Numuneleri oda sıcaklığında ~10 dakika eritin.
  2. NMR karışımı hazırlayın:
    1. 25 μL SECM'i 1.5 mL'lik bir mikrosantrifüj tüpüne aktarın. 200 μL D₂O ekleyin. 10 saniye girdabla yapın, ardından oda sıcaklığında 1000 × g . ile 10 saniye santrifüj yapın.
  3. Yük yerleştirme: Karışımın 225 μL'sini FEP astarına aktarın.
  4. Dış referans tüpünü hazırlayın.
    1. 5 mm NMR tüpünü 1 mM 3-(trimetilsilil)propionik-2,2,3,3-d4 asit sodyum tuzu (TMSP-d4) içeren 150 μL D₂O ile doldurun.
  5. Örneği birleştirin: FEP insertini NMR tüpüne yerleştirin ve parafilm ile kapatın.

4. NMR edinimi ve spektral işleme

  1. Bruker cpmgpr1d darbe dizisi kullanılarak 1H-CPMG alımı alın: 64 tarama; 65.536 veri noktası; Gevşeme gecikmesi: 8 saniye; Spektral genişlik: 11.9 kHz; Yankı süresi: 400 μs × 80 döngü (etkili T₂ filtresi 32 ms); Toplam satın alma süresi: ~15 dakika.
    NOT: Etkili CPMG T₂ filtre süresi olan 64 ms, protein içeren biyolojik örnekler için belirlenmiş metabolomik protokollere dayanarak seçilmiştir; bu değer, makromoleküler sinyallerin etkin bastırılmasını sağlarken düşük moleküler ağırlıklı metabolitrezonanslarını korurken 14.
  2. Spektral işlem yapın:
    1. Fourier dönüşüm spektrumlarını elde edin.
    2. 0.3 Hz üstel çizgi genişletme uygulayın.
    3. Faz ve temel düzeltme yapın.
    4. TMSP-d4'e referans spektrumları 0 ppm'de verin.
    5. 0 ppm'de hariciTMSP-d 4 sinyaline referans kimyasal kaydırmalar (δ).
      NOT: FEP astarının içindeki örnek karışımı (225 μL) ve dış koaksiyel boşluktaki (150 μL) hariciTMSP-d 4 referans çözümü, aktif NMR bobin algılama penceresi içinde farklı fiziksel geometri ve hacimleri kapladığı için, mutlak sinyal yoğunlukları 1:1 ölçeklenmez. Dış referans kullanılarak doğrudan mutlak niceliklendirme, sisteme özgü geometrik kalibrasyon eğrisi gerektirir. Bu nedenle, bu protokolün kesin sabit örnek hacimleri ve yüksek tekrarlanabilir pipetleme hassasiyeti göz önüne alındığında, ham kova integralleri doğrudan örnekler arasındaki göreceli metabolik değişimleri takip etmek için kullanıldı; harici referans veya toplam toplam yoğunluk normalizasyonu gerekliliği göz ardı edildi.
  3. Spektral binleme yapın:
    1. Binning'den önce su rezonans bölgesi (örneğin, 4,65–5,00 ppm) ve TMSP-d4 referans bölgesi (örneğin -0,05–+0,05 ppm) hariç tutulur.
    2. Zirvelerin bölünmesini önlemek için spektrumları değişken genişlikli kovalara ayırın.
    3. İstistatistiksel analiz için ham kova integralleri kullanılmalıdır; çünkü referans dış tüp hacminde fiziksel olarak izole edilmiştir. Bu yaklaşım, insertin farklı aktif hacimlerinden dış tüpün hareketli hacimlerinden kaynaklanan nicelik hatalarından kaçınır.
    4. Kova integrallerini istatistiksel analiz için sayısal veri matrisi olarak ihracat edin.
      NOT: Her "kova" (veya bin), tanımlanmış bir ppm aralığındaki tüm NMR sinyallerinin toplamlanmış sayısal integralini temsil eder. Bu integraller, o aralıktaki kimyasal grupların göreceli konsantrasyonunu yansıtırken, tek bir kovada birden fazla örtüşen metabolitten sinyaller veya belirli bir metabolitin toplam sinyalinin yalnızca bir kısmı olabilir.

5. İstatistiksel analiz

  1. 1 H-CPMG spektrumunu Python'a (v3.12) nmrglue15 ile işledim.
  2. Su ve TMSP-d4 spektral bölgelerini çıkarın.
  3. Analiz için kov integrallerini ihracat edin.
  4. SciPy (v1.14.1) kullanılarak istatistiksel test yapın:
    1. Shapiro–Wilk testi kullanılarak her spektral kovanın normalliğini değerlendirin.
    2. Normal dağıtılmış veriler için tek yönlü ANOVA veya parametrik olmayan veriler için Kruskal-Wallis uygulanarak harçlanmamış kuluçka kontrol ve harcanmış ortam arasında istatistiksel olarak anlamlı farklara sahip kovaları belirleyin.
    3. Önemli farklar gösteren kovalar için, 1D ve 2D NMR deneylerinin kombinasyonunu kullanarak yapısal atamaları gerçekleştirin: 1 H-13C HSQC, 1 H-13C HMBC ve 1 H-1HCOSY.
    4. Gözlemlenen 2B korelasyonları standart veritabanlarıyla (örneğin, HMDB) karşılaştırarak ayrımcı gruplara katkıda bulunan metabolitlerin kimliğini doğrulayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Kullanılmış embriyo kültür ortamının hedeflenmemiş NMR metabolomik profillenmesi için analitik iş akışı Şekil 1'de özetlenmiştir.

Örnekleme sırasında petrol kirliliğinin giderilmesi
Şekil 2, üst katman yağının taşınmasını azaltmak için kullanılan ardışık damla transfer prosedürünü göstermektedir. Dikkatli pipetleme olmadan toplanan örneklerde, spektrumun alifatik bölgesini kapsayan geniş hidrokarbon rezonanslar...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bu çalışmada, hedeflenmemiş NMR metabolomikleri kullanarak kullanılmış embriyo kültür ortamında düşük moleküler ağırlıklı metabolitlerin belirlenmesi ve nicelendirilmesiyle ilgili temel analitik zorlukları ele aldık. Sonuçlarımız, optimize edilmiş iş akışının, düşük moleküler ağırlıklı metabolitlerin güvenilir şekilde tespit edilmesine uygun yüksek kaliteli, bilgi açısından zengin spektrumların elde edilmesini sağladığını göstermektedir.

Dikkatli ardışık damla...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar, rekabet eden finansal çıkarları olmadığını belirtirler.

Teşekkürler

Bu çalışma, Slovenya Araştırma ve İnovasyon Ajansı (ARIS) tarafından desteklendi [proje numarası P3-0327].

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
5 mm FEP tube linerSP Wilmad-LabGlass4682701Koaksiyel NMR için iç eklenti
5 mm NMR tubeSP Wilmad-LabGlass535-PP-7-SBDış boru
6-well culture plateOosafeOOPW-SW02Embriyo kültür kabı
Cryogenic liquid nitrogenMesserİlgili üreticiye başvurunÖrnek anlık dondurma
Deuterium oxide (D2O)EurisotopD214LNMR solventi
Micropipette (10–100 µL)Eppendorf4924000053Ayarlanabilir hacimli pipet
Microcentrifuge tubes, 1.5 mL, RNase-freeEppendorfN216966NÖrnek toplama ve depolama
Mineral oilVitrolifeVTL-10029Kültür damlası kaplaması
NMR spectrometer, 600 MHzBrukerhttps://www.bruker.com/en/products-and-solutions/mr/nmr/avance-nmr-spectrometer.htmlSpektral kazanımı
Pasteur pipetteFalconFAL-357575Damla aktarma
Pipette, single-channel mechanicalSartorius728060Örnek taşıma
Pipette tips, sterileEppendorf22491148Mikropipet ile uyumlu
Pipette tips, sterile filterSartorius790201FAerosol bariyeri
Sequential G-series culture mediaVitrolifeVTL-10143Embriyo kültür ortamı
TMSP-d4 (sodium 3-trimethylsilylpropionate-d4)Cambridge Isotope LaboratoriesDLM-48-1Kimyasal kayma referansı
Tubes, Safe-LockEppendorf0030121589Depolama tüpleri

Kaynaklar

  1. Seli E, Botros L, Sakkas D, Burns DH. Non-invasive metabolomic profiling of embryo culture media using proton nuclear magnetic resonance correlates with reproductive potential of embryos in women undergoing in vitro fertilization. Fertil Steril. 2008;90(6):2183-2189.
  2. Vergouw CG et al. Metabolomic profiling by near-infrared spectroscopy as a tool to assess embryo viability: a novel, non-invasive method for embryo selection. Hum Reprod. 2008;23(7):1499-1504.
  3. Eldarov C et al. LC-MS analysis revealed significantly different metabolic profiles in spent culture media of human embryos with distinct morphology, karyotype and implantation outcomes. Int J Mol Sci. 2022;23(5):2706.
  4. Simopoulou M et al. Editorial: The role of metabolomics in ART: from diagnosis to treatment. Front Endocrinol (Lausanne). 2025;16:1558561.
  5. Gardner DK et al. Human and mouse embryonic development, metabolism and gene expression are altered by an ammonium gradient in vitro. Reproduction. 2013;146:49-61.
  6. Sturmey RG, Hawkhead JA, Barker EA, Leese HJ. DNA damage and metabolic activity in the preimplantation embryo. Hum Reprod. 2009;24:81-91.
  7. Sturmey RG, Brison DR, Leese HJ. Assessing embryo viability by measurement of amino acid turnover. Reprod Biomed Online. 2008;17:27-33.
  8. Nadal-Desbarats L et al. Is NMR metabolic profiling of spent embryo culture media useful to assist in vitro human embryo selection? Magn Reson Mater Phy. 2013;26:193-202.
  9. Wallace M et al. 1H NMR-based metabolic profiling of Day 2 spent embryo media correlates with implantation potential. J Assist Reprod Genet. 2014;31:58-63.
  10. Salmerón AM et al. Solution NMR in human embryo culture media as an option for assessment of embryo implantation potential. NMR Biomed. 2021;34:e4536.
  11. Kirkegaard K et al. NMR metabolomic profiling of Day 3 and 5 embryo culture medium does not predict pregnancy outcome in good prognosis patients. Hum Reprod. 2014;29(11):2413-2420.
  12. Otsuki J, Nagai Y, Chiba K. Damage of embryo development caused by peroxidized mineral oil and its association with albumin in culture. Fertil Steril. 2009;91(5):1745-1749.
  13. Martinez CA et al. The overlaying oil type influences in vitro embryo production: differences in composition and compound transfer into incubation medium between oils. Sci Rep. 2017;7:10505.
  14. Beckonert O et al. Metabolic profiling, metabolomic and metabonomic procedures for NMR spectroscopy of urine, plasma, serum and tissue extracts. Nat Protoc. 2007;2:2692-2703.
  15. Helmus JJ, Jaroniec CP. Nmrglue: an open-source Python package for the analysis of multidimensional NMR data. J Biomol NMR. 2013;55:355-367.
  16. Siristatidis C et al. Why has metabolomics so far not managed to efficiently contribute to the improvement of assisted reproduction outcomes? Diagnostics (Basel). 2021;11(9):1602.
  17. Miao SB et al. Glutamine as a potential non-invasive biomarker for human embryo selection. Reprod Sci. 2022;29(6):1721-1729.
  18. Ferrick L, Lee YSL, Gardner DK. Metabolic activity of human blastocysts correlates with their morphokinetics, morphological grade, KIDScore and artificial intelligence ranking. Hum Reprod. 2020;35(9):2004-2016.
  19. Boyama BA et al. Homocysteine in embryo culture media as a predictor of pregnancy outcome in assisted reproductive technology. Gynecol Endocrinol. 2016;32(3):193-195.
  20. Yazdani A, Halvaei I, Boniface C, Esfandiari N. Effect of cytoplasmic fragmentation on embryo development, quality, and pregnancy outcome: a systematic review of the literature. Reprod Biol Endocrinol. 2024;22:1-40.
  21. Scott R et al. Non-invasive metabolomic profiling of human embryo culture media using Raman spectroscopy predicts embryonic reproductive potential: a prospective blinded pilot study. Fertil Steril. 2008;90:77-83.
  22. Vergouw CG et al. Day 3 embryo selection by metabolomic profiling of culture medium with near-infrared spectroscopy as an adjunct to morphology: a randomized controlled trial. Hum Reprod. 2012;27(8):2304-2311.
  23. Figoli CB et al. A robust metabolomics approach for the evaluation of human embryos from in vitro fertilization. Sci Rep. 2024;14(1):17447.
  24. Olcay IO et al. Non-invasive amino acid turnover predicts human embryo aneuploidy. Gynecol Endocrinol. 2022;38(8):461-466.
  25. Tesarik J. Non-invasive biomarkers of human embryo developmental potential. Int J Mol Sci. 2025;26(10):4928.
  26. Alizadeh Moghadam Masouleh A et al. Embryo metabolism as a novel non-invasive preimplantation test: nutrients turn over and metabolomic analysis of human spent embryo culture media (SECM). Hum Reprod Update. 2025;31(5):405-444.
  27. Hajnajafi K, Iqbal MA. Mass-spectrometry based metabolomics: an overview of workflows, strategies, data analysis and applications. Proteome Sci. 2025;23:5.
  28. Emwas AH et al. NMR spectroscopy for metabolomics research. Metabolites. 2019;9(7):123.
  29. Giera M, Yanes O, Siuzdak G. Metabolite discovery: biochemistry's scientific driver. Cell Metab. 2022;34(1):21-34.
  30. Lippi G et al. Influence of hemolysis on routine clinical chemistry testing. Clin Chem Lab Med. 2006;44:311-316.
  31. An Z, Shi C, Li P, Liu L. Stability of amino acids and related amines in human serum under different preprocessing and pre-storage conditions based on iTRAQ®-LC-MS/MS. Biol Open. 2021;10(2):bio055020.
  32. Fomenko MV, Yanshole LV, Tsentalovich YP. Stability of metabolomic content during sample preparation: blood and brain tissues. Metabolites. 2022;12(9):811.
  33. Wishart DS et al. HMDB 5.0: The Human Metabolome Database for 2022. Nucleic Acids Res. 2022;50(D1):D622-D631.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

TıpSayı 233Sayı 233Boş DeğerSayıNMR spektroskopisiMetabolomikYağ kontaminasyonuCPMG