Characterization of Oocytes For in vitro Fertilization Using Electrical Impedance Spectroscopy

• Applicants: Dr. Julia Floehr; Professor Dr.-Ing. Uwe Schnakenberg
• Subject Area: Microsystems ; Reproductive Medicine, Urology
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 422444193

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Eine Eizelle besitzt mit der Eizellhülle eine extrazelluläre Matrix, die sogenannte Zona pellucida (ZP). Für eine erfolgreiche Befruchtung ist es essenziell, dass die ZP zunächst weich ist und erst nach der Befruchtung härtet. Für die in vitro Fertilisation wird die Härte der ZP aktuell allerdings nicht gemessen, obwohl somit das optimale Zeitfenster für die Befruchtung bestimmt werden könnte. Deshalb hatte das vorliegende Forschungsvorhaben zum Ziel das optimale Befruchtungszeitfenster durch eine elektrische Charakterisierungsmethode, der elektrischen Impedanzspektroskopie, zu bestimmen. In dem insgesamt 2,5-jährigen Projekt wurde ein Mikrofluidiksystem entwickelt, dessen zentrales Element ein Mikrofluidikchip mit neun Mikrokanälen, ausgestattet mit jeweils einem Loch im Kanaldeckel ist. Durch die Löcher können Eizellen angesaugt werden. Um die Löcher sind zwei ringförmige vertikal zentrierte Elektroden angeordnet, mit deren Hilfe die elektrische Impedanz durch die Apertur gemessen werden kann. Der Aufbau ist so ausgestaltet, dass er in ein Durchlichtmikroskop mit Heizplatte platziert werden kann, damit die Messungen kontrolliert bei 36 - 37°C durchgeführt werden können. Für das Messsystem wurde eine Druckregelstation entwickelt und implementiert, durch die definierte Ansaugdrücke an die Mikrokanäle angelegt werden können. Als Modellsystem dienten reife Mauseizellen (MII-Stadium) von drei verschiedenen genetischen Mausmodellen. Eizellen mit normaler ZP (WT, Wildtyp), harter ZP (KO, Fetuin-B defizient) und sehr weicher ZP (DKO, Fetuin-B/Ovastacin doppelt defizient). Der Betrag der gemessenen Impedanz erhöhte sich linear mit ansteigendem Ansaugdruck. Die unterschiedlichen Steigungen konnten eindeutig mit den Härten der verschiedenen ZP-Typen korreliert werden. Um die Impedanzwertänderungen mit einer etablierten Theorie zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls korrelieren zu können, wurden die Impedanzspektren mit einem äquivalenten elektrischen Ersatzschaltbild gefittet und daraus Werte für den saugruckabhängigen Widerstand ermittelt. Dieser Widerstand wurde dann mit einem neuentwickelten analytischen Modell mit der Längenänderung des eingezogenen Bereichs der ZP verknüpft. Das berechnete E-Modul der ZP der WT-Eizelle (ca. 3,6 kPa) ergab eine gute Übereinstimmung mit Werten, die mit anderen Messmethoden früherer Publikationen gewonnen wurden. Zudem wurde erwartungsgemäß ermittelt, dass der E-Modulwert für die ZP des KO-Typs deutlich geringer und für den DKO-Typ höher lag. Somit wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen. Mit der Verwertung einer Patentanmeldung ist begonnen worden.

Publications

• Dry Film Resist Laminated Microfluidic System for Electrical Impedance Measurements. Micromachines, 12(6), 632.
  Cao, Yuan; Floehr, Julia; Ingebrandt, Sven & Schnakenberg, Uwe
  
• Microfluidic-Based Electrical Impedance Spectroscopy System Using Multilevel Lamination of Dry Film Photoresist. 2021 International Workshop on Impedance Spectroscopy (IWIS), 11-14. IEEE.
  Cao, Yuan; Floehr, Julia; Yilmaz, Erkan; Kremers, Tom & Schnakenberg, Uwe
  
• System und Vorrichtung zur Charakterisierung von Veränderungen des Reifungsvorgangs einer Eizelle, sowie deren Verwendung. Akz: 10 2020 214 862, Tag der Anmeldung: 26.11.2020, Tag der Veröffentlichung 04.08.2022.
  U. Schnakenberg, W. Jahnen-Dechent, C. Schmitz, J. Floehr, A. El Hasni, T. Kremers & Y. Cao