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高雄醫師會誌112期~醫學專欄 | 崔冠濠：胚胎培養與試管嬰兒技術的進階發展
- 1. 54 不孕症 Infertility 崔冠濠 高雄榮民總醫院婦女醫學部主任 前言 1978 年 7 月 25 日全世界第一位試管嬰兒，路 易 絲． 布 朗（Louise Brown） 於 英 國 出 生， 開啟了人工生殖技術 (assisted reproductive technology, ART) 的 新 紀 元， 至 今 已 邁 入 第 44 年；1992 年 單 一 精 蟲 卵 質 內 顯 微 注 射 （Intracytoplasmic sperm injection, ICSI） 成功案例於比利時發表，男性不孕症之治療有了 重大突破，為人工生殖技術的另一個里程碑，單 一精蟲卵質內顯微注射因而被稱為第 2 代試管 嬰兒，目前已成為各生殖中心實驗室必備的技 術；40 多年來，人工生殖技術持續不斷進步， 排卵刺激、胚胎培養及冷凍技術等都有長足的 進展及新的突破，試管嬰兒的個案數及活產率 不斷地攀升，近年來，加上生物資訊的突飛猛 進，許多檢測平台的發展，催生了第 3 代試管嬰 兒 --- 胚胎著床前染色體篩檢 (Preimplantation genetic testing for aneuploidies, PGT-A)；另 外縮時攝影胚胎培養系統 (Time-lapse culture system)、子宮內膜容受性檢測 (Endometrial receptivity analysis, ERA)、 結 合 人 工 智 慧 (Artificial intelligence, AI) 及非侵入性胚胎著床 前 染 色 體 檢 測 (Non-invasive preimplantation genetic testing, ni-PGT) 等都是當前人工生殖 技術的進階發展。 胚胎培養與試管嬰兒 技術的進階發展 從無到有
- 2. 55 第 3 代 試 管 嬰 兒 -- 胚 胎 著 床 前 染 色 體 篩 檢 (Preimplantation genetic testing for aneuploidies, PGT-A) 胚 胎 著 床 前 基 因 檢 測 (Preimplantation genetic testing, PGT)： 包 括 胚 胎 著 床 前 染 色 體 篩 檢 (PGT-A)、 胚 胎 著 床 前 基 因 診 斷 (Preimplantation genetic testing for monogenic disorders, PGT-M) 及胚胎著床前 染色體結構重排檢測 (Preimplantation genetic testing for structural rearrangements, PGT- SR)。PGT-A 是 檢 測 胚 胎 染 色 體 數 量 是 否 正 常，胚胎染色體數量異常 (aneuploidy) 十分常 見，且年齡愈大，胚胎染色體數量異常比例愈 高，而染色體異常的胚胎，其活產率極低，因 此，PGT-A 是 一 種 篩 選 工 具， 為 目 前 挑 選 胚 胎最準確的方法，染色體數量檢測正常的胚胎 (euploid embryos)，單一胚胎植入活產率可達 50~60%。 PGT-A 需作胚胎切片， 並將取樣細胞的 DNA 放大，再用適當的平台檢測。胚胎切片最 早為極體切片 (polar body biopsy)，極體只有 母親的染色體，沒有父親的染色體，故未被廣 泛應用；之後為分裂期切片 (cleavage stage biopsy)，此時取出胚葉細胞（blastomere）會 傷害胚胎，影響胚胎的存活或降低著床率；因 此，目前標準的胚胎切片方式為囊胚期的滋養 層 切 片 (blastocyst trophectoderm biopsy)。 最 早 檢 測 平 台 為 螢 光 原 位 雜 交（fluorescent in situ hybridization, FISH）， 其 無 法 檢 測 所有染色體，並不準確。因此 PGT-A 1.0 ( 分 裂期切片 +FISH) 被證實會降低試管嬰兒活產 率，已被摒棄使用。一直到全染色體檢測平台 (comprehensive chromosome screening, CCS) 的發展才讓 PGT-A 逐漸盛行，以微陣列 比 較 基 因 組 雜 交（array-based comparative genomic hybridization, aCGH）為主的檢測平 台稱 PGT-A 2.0，而 PGT-A 3.0 則以次世代定 序 (next generation sequencing, NGS) 為檢測 平台，NGS 的解析度較 aCGH 為佳，為目前主 流的檢測平台。 PGT-A 並不適用於所有人，目前認為可能 適用的族群包括高齡婦女（≧ 35 歲）、多次胚 胎植入失敗者、 反覆性流產者、 嚴重男性不孕者、 曾經產下染色體異常之嬰兒者；此外，採用單一 胚胎植入以降低多胞胎風險，亦是採用 PGT-A 的另一個考量點。不過，PGT-A 需培養至囊胚 期作切片，並非所有的胚胎皆可在體外發育成囊 胚，且品質差的胚胎易因切片而損傷，故預後良 好者才適合接受 PGT-A；此外，檢測結果可能 全部為 aneuploidy 而沒有胚胎可以植入，年齡 愈大，aneuploidy 比例愈高，要獲得至少一顆 euploid blastocyst 所需療程數愈多，所需的花 費也愈多。因此，臨床上 PGT-A 的使用，除了 上述適用的族群外，是否有品質佳之囊胚可做切 片、是否有 euploid blastocyst 可以植入也是重 要的考量點。若將 PGT-A 廣泛用於所有族群， 非但不會增加懷孕率，反而可能會降低累積活產 率，這部分需讓欲接受 PGT-A 的不孕婦女有全 盤的了解。有學者指出 PGT-A 可能會造成的胚 胚胎培養與試管嬰兒技術的進階發展
- 3. 56 胎耗損 (embryonic loss)，而造成胚胎耗損的兩 大原因為胚胎損傷 (embryonic damage) 和胚 胎丟棄 (embryonic wastage)。胚胎損傷和胚胎 本身品質、切片方式、切片細胞數及切片次數等 有關；胚胎丟棄則是因偽陽性結果，其主要來自 於鑲嵌型胚胎 (mosaic embryo) 及片段染色體 異常 (segmental aneuploidies)，這和實驗室品 質、切片方式及切片技術等有關。因此，要降低 PGT-A 造成的胚胎耗損，可從上述兩大原因的 相關因子來著手改進。 PGT-A 檢測之染色體正常的胚胎植入後 若順利懷孕，仍建議接受羊膜穿刺檢查，進一 步確定胎兒染色體，因胚胎切片為檢測滋養層 細胞，其狀況可能不完全等同於內細胞團，此 外，PGT-A 為早期胚胎檢測，其結果無法完全 代表最終的結果。另外，PGT-A 是否對懷孕及 新生兒產生影響 ? 2021 年刊登於期刊 Human Reproduction Update 的 一 篇 meta-analysis 指出，PGT-A 可能會降低早產和低體重兒的風 圖一 各階段胚胎切片及非侵入性胚胎切片 第 3.5 代試管嬰兒 -- PGT-A + 縮時攝影胚胎培 養系統 (Time-lapse culture system) 第 3.5 代試管嬰兒係指結合縮時攝影之胚 胎 morphokinetics 及 PGT-A 之 胚 胎 euploidy 來挑選胚胎，更準確地挑出著床潛能高之胚胎， 提升單次胚胎植入之活產率。縮時攝影胚胎培養 系統的兩大特點：不受干擾的胚胎培養環境和記 錄胚胎動態變化，前者可提供胚胎穩定的生長環 境，而後者可提供更多胚胎發育的訊息，以利挑 選胚胎。 胚胎在培養過程中，必須保持在恆溫、恆濕、 酸鹼度恆定的條件下，在傳統胚胎培養箱，胚胎 師要觀察胚胎時，必須將培養箱的門打開取出胚 胎，快速在顯微鏡下進行觀察，每一次的開門皆 會改變培養箱溫度、濕度、CO2 濃度及酸鹼值的 恆定，進而可能會影響胚胎的生長發育；胚胎培 養於縮時攝影監控培養箱，其內建高解析度的攝 險，不過可能會增加妊娠高血壓發生率。 從無到有
- 4. 57 圖二 縮時攝影胚胎培養系統完整記錄胚胎發育過程 影機和顯微鏡，影像可傳送至電腦，因此，觀察 胚胎無須將胚胎從培養箱取出，讓胚胎在不受干 擾的環境下生長。此外，在傳統胚胎培養箱，只 能觀察胚胎靜態生長狀況；縮時攝影監控培養箱 內的攝影機每 10 分鐘為拍照一次，每 1 顆胚胎會 拍下 1 萬張的影像，可 24 小時完整記錄胚胎生長 發育過程，胚胎師可更仔細地觀察胚胎動態的生 長狀況，並用內建的電腦軟體演算法來挑選胚胎。 在縮時攝影胚胎培養系統，根據胚胎動態生長狀 況，以電腦軟體演算法來挑選胚胎，相較於傳統 胚胎培養箱根據胚胎顯微鏡下靜態胚胎型態等級 來挑選胚胎，是否能提升活產率 ? 目前尚無定論， 仍需更多的研究。不過，研究指出，同為 euploid blastocyst 植入，用縮時攝影系統以電腦軟體演 算法評估為高品質的胚胎，其懷孕率比低品質的 胚胎顯著較高；亦有研究進一步比較第 3.5 代試 管嬰兒 (PGT-A + time-lapse culture system) 和 第 3 代試管嬰兒 (PGT-A alone) 臨床結果，前 者之活產率較後者為佳。同樣是 euploid blasto- cys，活產率高低會受胚胎 morphokinetics 的影 響。因此，第 3.5 代試管嬰兒確實能更準確地挑 出頂級胚胎，提升單次胚胎植入之活產率。 第 3+ 代試管嬰兒 --- PGT-A + 子宮內膜容受性 檢測 (Endometrial receptivity analysis, ERA) 胚胎成功著床的兩大關鍵在於高品質的胚 胎及接受度佳的子宮內膜。第 3.5 代試管嬰兒係 以 PGT-A 來挑選染色體數量正常之胚胎，再以 子宮內膜容受性檢測 (Endometrial receptivity analysis, ERA) 找出胚胎的著床窗期 (window of implantation, WOI)，選擇最佳時間點精準植入正 常之胚胎，提高胚胎成功著床的機率，提升試管 嬰兒療程之活產率。著床窗期一般係指排卵後 5~7 天，約為月經週期 19~21 天，為子宮內膜讓胚胎 著床的關鍵時期，因為在著床窗期，子宮內膜才 具有接受胚胎著床的能力。有些人的著床窗期會 有些微偏移，尤其是反覆著床失敗者，約三成有 著此情形。 子宮內膜容受性檢測即是在是在檢測著床窗 胚胎培養與試管嬰兒技術的進階發展
- 5. 58 期是否偏移，找出個人化的最佳胚胎植入時間點， 檢測方法為採樣著床窗期子宮內膜，利用次世代 基因定序 (NGS) 分析超過 248 個與子宮內膜容受 性相關的基因，分析的結果會以 receptive, pre- receptive 和 post-receptive 呈現，真正的植入週 期再根據報告調整，精準地植入胚胎。 新一代的子宮內膜容受性檢測（MicroRNA- based Endometrial Receptivity Analysis, MIRA）是分析與子宮內膜容受性相關的 miRNA， 找出最適當的胚胎植入時間點。無論是 ERA 或 MIRA，其臨床的效益目前仍不清楚，子宮內膜容 受性檢測對試管嬰兒療程活產率是否有助益仍需 更多的研究。 第 4 代試管嬰兒 --- PGT-A + AI 智慧選胚 圖三 子宮內膜容受性檢測係為了找出最適當的著床窗期以精準植入胚胎 第 4 代 試 管 嬰 兒 指 除 了 以 PGT-A 挑 選 euploid blastocyst 外，再以雲端 AI 演算法分析 縮時攝影胚胎即時影像系統，幫助胚胎師以更精 準及標準化的方式挑選出最優質的胚胎，提高單 次胚胎植入之活產率。AI 智慧選胚之演算法最早 於 2019 年由康乃爾大學的研究團隊發表於 NPJ Digital Medicine 期刊，將胚胎發育的動態影像資 料結合 AI 深度學習模組，發展出雲端 AI 演算法， 其透過可以自主學習的算法，不斷升級評價體系， 確保能選出最有可能成功著床的胚胎。對於無法 或不適合接受 PGT-A 之不孕夫婦，可單獨使用 AI 智慧選胚，它不會對胚胎造成任何傷害，同時 可以選出優質胚胎，提高不孕婦女的活產率。 高雄榮總近期也引進了最新縮時攝影胚胎培 養系統，透過 AI 演算法智慧選胚再加上 PGT-A 圖四 透過 AI 演算法智慧選胚 從無到有
- 6. 59 技術，預期可以讓試管嬰兒成功率再更上一層樓。 歡迎有需要的夫妻可以到高雄榮總，我們一定提 供最安心優質的醫療服務！ 結語 新的一代試管嬰兒出現，代表有劃時代的 技術突破 ( 如 ICSI 和 PGT-A)，而新世紀的人 工生殖技術蓬勃發展，縮短了新一代試管嬰兒的 時程。人工智慧是未來的趨勢，相信能和人工 生殖技術擦出更多的火花；許多新技術如 non- invasive preimplantation genetic testing for aneuploidies (ni-PGT-A) 和 preimplantation genetic test for polygenic disease (PGT-P) 等 仍在持續研究中，相信更新一代的試管嬰兒技術 即將在不久的未來產生。 1.Fesahat F, Montazeri F, Hoseini SM. Preimplantation genetic testing in assisted reproduction technology. J Gynecol Obstet Hum Reprod. 2020;49(5):101723. 2.Sciorio R, Dattilo M. PGT-A preimplantation ge- netic testing for aneuploidies and embryo selection in routine ART cycles: Time to step back? Clin Genet. 2020;98(2):107-15. 3.Homer HA. Preimplantation genetic testing for an- euploidy (PGT-A): The biology, the technology and the clinical outcomes. Aust N Z J Obstet Gynaecol. 2019;59(2):317-24. 4.Pirtea P, De Ziegler D, Tao X, Sun L, Zhan Y, Ayoubi JM, et al. Rate of true recurrent implantation failure is low: results of three successive frozen euploid single embryo transfers. Fertil Steril. 2021;115(1):45-53. 5.Chan C, Ryu M, Zwingerman R. Preimplantation ge- 參考資料 netic testing for aneuploidy: A Canadian Fertility and Andrology Society Guideline. Reprod Biomed Online. 2021;42(1):105-16. 6.Roche K, Racowsky C, Harper J. Utilization of preim- plantation genetic testing in the USA. J Assist Reprod Genet. 2021;38(5):1045-53. 7.Simopoulou M, Sfakianoudis K, Maziotis E, Tsioulou P, Grigoriadis S, Rapani A, et al. PGT-A: who and when? Alpha systematic review and network meta-analysis of RCTs. J Assist Reprod Genet. 2021;38(8):1939-57. 8.Yan J, Qin Y, Zhao H, Sun Y, Gong F, Li R, et al. Live Birth with or without Preimplantation Genetic Testing for Aneuploidy. N Engl J Med. 2021;385(22):2047-58. 9.Munne S, Kaplan B, Frattarelli JL, Child T, Nakhuda G, Shamma FN, et al. Preimplantation genetic testing for aneuploidy versus morphology as selection criteria for single frozen-thawed embryo transfer in good-prognosis patients: a multicenter randomized clinical trial. Fertil Steril. 2019;112(6):1071-9 e7. 10.Jones BP, Bracewell-Milnes T, Kasaven L, L'Heved- er A, Spearman M, Marcus D, et al. Pre-implantation ge- netic testing for aneuploidy: motivations, concerns, and perceptions in a UK population. J Assist Reprod Genet. 2021;38(8):1987-96. 11.Popovic M, Dhaenens L, Boel A, Menten B, Heindry- ckx B. Chromosomal mosaicism in human blastocysts: the ultimate diagnostic dilemma. Hum Reprod Update. 2020;26(3):313-34. 12.Kim J, Tao X, Cheng M, Steward A, Guo V, Zhan Y, et al. The concordance rates of an initial trophectoderm biopsy with the rest of the embryo using PGTseq, a targeted next-generation sequencing platform for pre- implantation genetic testing-aneuploidy. Fertil Steril. 2022;117(2):315-23. 13.Zheng W, Yang C, Yang S, Sun S, Mu M, Rao M, et al. Obstetric and neonatal outcomes of pregnancies resulting from preimplantation genetic testing: a sys- tematic review and meta-analysis. Hum Reprod Update. 2021;27(6):989-1012. 胚胎培養與試管嬰兒技術的進階發展
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