囊胚期胚胎滋养层细胞活检的自动化与控制
自动化技术在胚胎滋养层细胞活检中的应用研究
学术背景
胚胎活检（Embryo Biopsy）是辅助生殖技术（In Vitro Fertilization, IVF）中的重要环节，尤其是在植入前遗传学检测（Preimplantation Genetic Testing, PGT）中。通过胚胎活检，医生可以从胚胎中提取少量细胞进行遗传分析，以避免遗传疾病的传递并提高胚胎植入的成功率。然而，传统的胚胎活检依赖于人工操作，存在操作时间长、成功率不稳定以及胚胎损伤风险高等问题。随着单细胞生物学研究的深入，自动化技术的引入成为解决这些问题的关键。本文旨在开发一种基于计算机视觉和图像反馈控制算法的自动化系统，用于在小鼠囊胚阶段进行滋养层细胞（Trophectoderm, TE）活检，以提高活检的精确性和可重复性。
论文来源
本论文由Ihab Abu Ajamieh、Mohammad Al Saaideh、Mohammad Al Janaideh和James K. Mills共同撰写，分别来自Birzeit University、Memorial University、University of Guelph和University of Toronto。论文发表于2025年的IEEE Transactions on Biomedical Engineering期刊，详细介绍了自动化胚胎活检系统的开发和验证。
研究流程
本研究的主要目标是通过自动化技术实现胚胎滋养层细胞活检的全流程操作，具体包括胚胎重新定向、透明带（Zona Pellucida, ZP）穿孔、滋养层细胞提取和分离等步骤。以下是研究的详细流程：
胚胎重新定向
胚胎重新定向是活检的第一步，目的是将胚胎调整到适合ZP穿孔的位置。研究中开发了一种基于计算机视觉的反馈控制系统，通过显微镜和高速摄像头实时监测胚胎的位置和方向。系统利用图像处理算法检测内细胞团（Inner Cell Mass, ICM），并计算胚胎的旋转角度。通过控制显微镜载物台的运动，系统能够精确调整胚胎的方向。实验结果显示，该系统能够在不同起始角度下成功将胚胎旋转到目标位置，成功率达到100%。ZP穿孔自动化
在胚胎重新定向后，系统需要进行ZP穿孔以提取滋养层细胞。研究中采用激光穿孔技术，通过计算机视觉算法估计ZP的厚度，并调整激光参数（如脉冲时长和功率）以实现精确穿孔。系统通过视觉反馈控制将胚胎移动到激光穿孔位置，并进行多次穿孔以确保ZP的充分打开。实验表明，该系统能够准确完成ZP穿孔，且未对胚胎造成额外损伤。滋养层细胞提取
ZP穿孔后，滋养层细胞自然从穿孔处突出，系统通过显微操作器控制活检微管（Biopsy Micropipette）接触并提取这些细胞。研究开发了视觉引导的反馈控制系统，实时监测细胞在微管中的位置，并根据需要调整微管的运动。实验结果显示，该系统能够成功提取预定数量的滋养层细胞，且操作时间显著缩短。滋养层细胞分离
提取的滋养层细胞需要通过激光分离技术从胚胎中完全分离。研究中采用多脉冲激光对细胞间连接进行切割，并通过视觉反馈控制确保分离过程的精确性。实验表明，该系统能够高效完成细胞分离，且未对胚胎造成额外损伤。
主要结果
1. 胚胎重新定向
实验结果显示，系统能够在不同起始角度下成功将胚胎旋转到目标位置，成功率达到100%，且操作时间显著短于人工操作。
ZP穿孔
系统能够准确完成ZP穿孔，且未对胚胎造成额外损伤。实验数据显示，ZP穿孔的成功率达到100%，且穿孔位置与自然孵化位置高度一致。滋养层细胞提取与分离
系统成功提取了预定数量的滋养层细胞，且操作时间显著缩短。细胞分离的成功率也达到100%，且未对胚胎造成额外损伤。
结论与意义
本研究开发了一种基于计算机视觉和图像反馈控制算法的自动化胚胎活检系统，成功实现了小鼠囊胚阶段滋养层细胞活检的全流程操作。该系统不仅提高了活检的精确性和可重复性，还显著缩短了操作时间，减少了胚胎损伤的风险。通过利用实验室现有设备，该系统具有成本效益高、易于推广的优势，为单细胞生物学研究和辅助生殖技术的发展提供了重要支持。
研究亮点
1. 全流程自动化
本研究首次实现了胚胎活检全流程的自动化操作，包括胚胎重新定向、ZP穿孔、滋养层细胞提取和分离等步骤。
高精确性与可重复性
通过计算机视觉和图像反馈控制算法，系统能够精确控制每个步骤的操作，显著提高了活检的成功率和可重复性。低成本与易推广
系统利用实验室现有设备，无需额外购置昂贵仪器，具有较高的成本效益和推广价值。
其他有价值的信息
本研究还验证了自动化系统在人类胚胎中的应用潜力。尽管实验对象为小鼠胚胎，但由于人类和小鼠胚胎在囊胚阶段的形态学特征相似，该系统有望在未来应用于人类胚胎活检中，进一步提高辅助生殖技术的成功率。