Integrating AI with multiphoton autofluorescence-based hyperspectral imaging for enhanced embryo and oocyte analysis

Abstract

(English) Infertility affects one in seven couples, according to the World Health Organization, and only around 30% of the embryos from in vitro fertilization treatments successfully implant in the uterus and develop to term. As a result, multiple transfer cycles are often required to achieve a successful pregnancy, which can lead to significant emotional, physical, and financial burden. To reduce time-to-pregnancy and stress for patients, there is a need for a diagnostic tool to better select embryos and oocytes based on their physiology. This thesis presents an innovative, non-invasive methodology to improve embryo and oocyte selection, moving beyond conventional brightfield imaging, which provides morphological information and therefore limited physiological insight. Using a combination of techniques including two-photon excitation, hyperspectral imaging, phasor analysis, and artificial intelligence, we have developed a novel imaging pipeline that enables the non-invasive study of metabolic profiles of embryos and oocytes through their intrinsic autofluorescence signals. This methodology not only offers a more comprehensive understanding of embryo viability, but also represents a significant advancement in the field of reproductive science, enabling non-invasive metabolic profiling in ways that were previously not possible. The proof-of-concept work conducted in this thesis led to the development of a prototype based on light-sheet microscopy for evaluating and classifying embryos. This technology was chosen because of its ability to provide faster, less invasive imaging, while avoiding photodamage, making it ideal for non-invasive analysis. This prototype represents the first step towards a clinical product to use in in vitro fertilization clinics. By offering a method to accurately assess embryo viability non-invasively, we aim to improve the effectiveness, and patient experience of infertility treatment.

(Català) La infertilitat afecta una de cada set parelles, segons l'Organització Mundial de la Salut, i només al voltant del 30% dels embrions de tractaments de fertilització in vitro aconsegueixen implantar-se a l'úter i desenvolupar-se fins al final de l'embaràs. Com a resultat, sovint es necessiten múltiples cicles de transferència per aconseguir un embaràs reeixit, cosa que pot generar una càrrega emocional, física i econòmica significativa. Per reduir el temps fins a l’'embaràs i l’'estrès dels pacients, és necessari comptar amb una eina diagnòstica que permeti seleccionar millor els embrions i oòcits en funció de la seva fisiologia. Aquesta tesi presenta una metodologia innovadora i no invasiva per millorar la selecció d’embrions i oòcits, i va més enllà de l’'ús estàndard de la imatge de camp clar, que proporciona informació morfològica i, per tant, una comprensió limitada de la seva fisiologia. Utilitzant una combinació de tècniques que inclouen absorció de dos fotons, imatge hiperespectral, anàlisi de fasors i intel·ligència artificial, hem desenvolupat un nou sistema d’'imatge que permet l’'estudi no invasiu dels perfils metabòlics d’embrions i oòcits a través dels seus senyals intrínsecs d’'autofluorescència. Aquesta metodologia no només ofereix una comprensió més àmplia de la viabilitat dels embrions, sinó que també representa un avenç significatiu en el camp de la ciència reproductiva, permetent l’avaluació metabòlica no invasiva de maneres que abans no eren possibles. El treball de prova de concepte realitzat en aquesta tesi ha portat al desenvolupament d’un prototip basat en microscòpia de làmina de llum per avaluar i classificar embrions. Aquesta tecnologia es va triar per la seva capacitat per proporcionar imatges més ràpides i menys invasives, evitant el dany per fototoxicitat, cosa que la fa ideal per a l’'anàlisi no invasiu. Aquest prototip representa el primer pas cap a la creació d’un producte clínic per al seu ús en clíniques de fertilització in vitro. En oferir un mètode per avaluar amb precisió la viabilitat dels embrions de manera no invasiva, esperem millorar l’'eficàcia i l’'experiència dels pacients en el tractament de la infertilitat.

(Español) La infertilidad afecta a una de cada siete parejas, según la Organización Mundial de la Salud, y solo alrededor del 30% de los embriones provenientes de tratamientos de fertilización in vitro logran implantarse en el útero y desarrollarse hasta el final del embarazo. Como resultado, a menudo se requieren múltiples ciclos de transferencia para lograr un embarazo exitoso, lo que puede provocar una carga emocional, física y financiera significativa. Para reducir el tiempo hasta el embarazo y el estrés de los pacientes, es necesario contar con una herramienta diagnóstica que permita seleccionar mejor los embriones y ovocitos en función de su fisiología. Esta tesis presenta una metodología innovadora y no invasiva para mejorar la selección de embriones y ovocitos, y va más allá del uso estándar de la imagen de campo claro, que proporciona información morfológica y, por lo tanto, una comprensión limitada de su fisiología. Utilizando una combinación de técnicas que incluyen absorción de dos fotones, imagen hiperespectral, análisis de fasores e inteligencia artificial, hemos desarrollado un novedoso sistema de imagen que permite el estudio no invasivo de los perfiles metabólicos de embriones y ovocitos a través de sus señales intrínsecas de autofluorescencia. Esta metodología no solo ofrece una comprensión más amplia de la viabilidad de los embriones, sino que también representa un avance significativo en el campo de la ciencia reproductiva, permitiendo la evaluación metabólica no invasiva de formas que antes no eran posibles. El trabajo realizado en esta tesis ha llevado al desarrollo de un prototipo basado en microscopía de hoja de luz para evaluar y clasificar embriones. Esta tecnología se eligió debido a su capacidad para proporcionar imágenes más rápidas y menos invasivas, evitando el daño por fototoxicidad, lo que la hace ideal para el análisis no invasivo. Este prototipo representa el primer paso hacia la creación de un producto clínico para su uso en clínicas de fertilización in vitro. Al ofrecer un método para evaluar con precisión la viabilidad de los embriones de manera no invasiva, esperamos mejorar la efectividad y la experiencia de los pacientes en el tratamiento de la infertilidad.