Nguyên tắc trữ lạnh phôi người
BS. Phùng Huy Tuân

Năm 1972, phôi động vật đầu tiên được trữ lạnh thành công là phôi chuột. Sau đó, kỹ thuật trữ phôi phát triển mạnh mẽ và tạo được nhiều thành công trong lãnh vực chăn nuôi. Đến năm 1982 phôi người đầu tiên mới được trữ thành công. Kể từ đó, kỹ thuật trữ phôi được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong thụ tinh trong ống nghiệm.

Nguyên tắc trữ lạnh phôi người

Phôi người được trữ lạnh trong nitơ lỏng. Để đạt nhiệt độ trữ, phôi được làm lạnh đến –196oC. Mọi hoạt động bên trong tế bào trữ lạnh sẽ ngừng lại. Các phân tử nước bên trong tế bào tồn tại dưới dạng kết hợp, tinh thể hoặc dạng kính. Thời gian như ngừng trôi đối với tế bào được trữ. Tế bào sẽ chỉ hoạt động trở lại khi được rã đông và trở về nhiệt độ bình thường. Tế bào sống được lưu trữ hay không phụ thuộc nhiều vào phương pháp làm lạnh và rã đông.

Những thay đổi của tế bào

Vấn đề thường gặp nhất trong quá trình làm lạnh tế bào là tế bào chết do sự hình thành những tinh thể nước đá hay tế bào tổn thương do sự gia tăng nồng độ của môi trường trữ lạnh khi nhiệt độ giảm.

Sự hình thành tinh thể nước đá

Trong môi trường đẳng trương, tinh thể nước đá hình thành khi nhiệt độ từ –5 đến –15oC. Tuy nhiên, sự hình thành chỉ xuất hiện liên tục khi nhiệt độ xuống khoảng –10oC. Hiện tượng này xảy ra do môi trường có pha chất hòa tan cũng như chất bảo quản lạnh có nhiệt độ đông đá thấp hơn bình thường. Những tinh thể nước hình thành bên trong cũng như sát bên ngoài tế bào có khả năng gây tổn thương cơ học lên màng tế bào và các bào quan. Khi nước chuyển sang dạng tinh thể, lượng nước ở thể lỏng giảm đi. Do đó, nồng độ chất hòa tan tăng lên gây mất cân bằng trong áp lực thẩm thấu, kéo nước từ bên trong tế bào ra ngoài và làm tổn thương màng tế bào.

Tăng nhiệt độ tiềm ẩn

Đây cũng là hậu quả của sự hình thành tinh thể nước đá. Phân tử nước chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn sẽ làm thoát ra một nhiệt lượng. Nếu nhiều phân tử lỏng cùng chuyển sang rắn thì lượng nhiệt thoát ra đủ làm thay đổi nhiệt độ của môi trường thay vì đang đi xuống lại tăng lên. Thay đổi này sẽ ảnh hưởng tới chức năng tế bào sau rã đông.

Những vấn đề của tế bào khi rã đông

Quá trình rã đông đưa tế bào từ nhiệt độ bảo quản là –196oC trở lại nhiệt độ sống ban đầu của tế bào. Quy trình rã đông liên hệ chặt chẽ với quy trình làm lạnh, hay cụ thể hơn là phụ thuộc vào lượng tinh thể nước đá còn lại bên trong tế bào. Trong khi rã đông, nếu nhiệt độ tăng chậm sẽ làm cho những tinh thể đá nhỏ còn trong tế bào phát triển lớn hơn gây hại tế bào. Hiện tượng trên gọi là tái kết tinh hóa.
Biện pháp hạn chế tác hại của quá trình làm lạnh

Khởi phát sự tạo thành tinh thể nước đá

Quá trình này gọi là tạo mầm tinh thể (seeding), nhằm hạn chế sự tăng nhiệt độ tiềm ẩn do các tinh thể nước được tạo điều kiện để hình thành dần dần. Ở khoảng –7oC, dùng một vật rất lạnh cho tiếp xúc với môi trường. Tinh thể nước đá hình thành từ điểm tiếp xúc sẽ kích thích dần dần hình thành các tinh thể khác lan tỏa khắp môi trường. Tinh thể xuất hiện nhiều hơn khi nhiệt độ giảm. Ngoài ra sau khi khởi phát tạo tinh thể nước đá, nồng độ môi trường tăng lên khi càng xuất hiện nhiều tinh thể đá. Nồng độ môi trường bên ngoài tăng cao hơn trong tế bào, nước từ trong tế bào sẽ thoát ra ngoài, do đó tế bào không bị nguy hiểm khi nhúng vào nitơ lỏng. Khi nhiệt độ xuống –130oC toàn bộ nước chuyển thành dạng đá.

Kiểm soát tốc độ làm lạnh

Tốc độ làm lạnh càng nhanh thì tinh thể tạo ra bên trong tế bào càng nhiều. Tốc độ tối ưu trong làm lạnh phôi người là 0,3oC/phút. Tốc độ này cho phép sự trao đổi nước qua màng tế bào diễn ra trước khi nước hoàn toàn chuyển thành thể rắn.

Sử dụng chất bảo quản lạnh

Là những chất tan trong nước, tạo liên kết hydro với phân tử nước và xâm nhập vào bên trong tế bào đổi chỗ với nước, giảm hình thành tinh thể nước đá trong tế bào và giảm tổn thương do tinh thể nước đá gây nên. Bên cạnh đó, vì không tạo được tinh thể nước đá nên hạn chế được sự tăng nồng độ của chất hòa tan. Bốn loại chất bảo quản hiện nay đang sử dụng rộng rãi là Glycerol, Dimethyl sulfoxide, 1,2-propanediol và 1,2-ethanediol.

Biện pháp hạn chế tác hại của quá trình rã đông

Tốc độ rã đông phải nhanh để hạn chế hiện tượng tái kết tinh hóa. Tuy nhiên, tốc độ rã đông lại không được quá nhanh để nước có thể kịp trở lại bên trong tế bào. Ứng với tốc độ làm lạnh là 0,3oC/phút thì tốc độ rã đông có thể đạt tới 300oC/phút. Cuối cùng, phôi được rửa sạch các chất bảo quản lạnh để tiếp tục nuôi cấy trong môi trường.

Kết luận

Trữ phôi là quy trình không thể thiếu trong thụ tinh ống nghiệm. Việc trữ lạnh phôi và chuyển phôi trữ góp phần làm tăng tỷ lệ thành công trong thụ tinh ống nghiệm, bảo quản được phôi dư ở những trường hợp nhiều phôi, chuyển phôi trữ chu kỳ sau ở những trường hợp quá kích buồng trứng nặng và hạn chế được