文摘

的能力成功成熟的卵母细胞是高度依赖intrafollicular条件,包括卵泡的大小和结构。在这里,我们提出一个数学模型的氧气输送窦的卵泡。我们联系意味着氧浓度在滤泡牛卵泡液的浓度附近cumulus-oocyte复杂(COC)。模型预测,窦的卵泡内的氧气水平依赖于卵泡的大小和结构,意味着卵泡液的溶氧水平不一定到达COC的对应。

1。介绍

哺乳动物卵母细胞在卵巢中的卵泡发展。的存在和生长卵泡可能影响营养水平到达卵母细胞,和intrafollicular条件可能影响卵母细胞的发育能力(能够成熟,受精,发育成胚胎(1)这并不成为明显的一段时间之后,受精(2]。辅助生殖技术的成功依赖于发展主管卵母细胞被选中进行治疗。滤泡多血管的程度,直接影响毛囊营养的供应,已经联系在体外受精(IVF)的结果(3),营养成分intrafollicular流体研究的预后参数选择卵母细胞体外受精(4]。

而传统的试管婴儿使用卵母细胞成熟在活的有机体内,它可以是可取的,甚至是必要的,使用不成熟的卵母细胞在实验室必须先成熟,这一过程称为在体外成熟(IVM)。IVM不是普遍的人类,虽然它有潜力成为一个可行的替代传统的试管婴儿在母亲的情况下容易卵巢过度刺激综合征(主要)或多囊卵巢综合征(PCOS) [5- - - - - -8]。然而使用IVM经常在反刍动物如牛繁殖是一个重要的行业关注的管理(1,9]。IVM的发展系统,优化胚胎的成功发展长期以来被认为是重要的商业和研究环境(10]。然而,成功的IVM患有营养成分之间的差异在文化媒体相比在活的有机体内条件(11,12];因此,intrafollicular条件对成功至关重要的理解和成熟卵母细胞选择不管物种。

的无血管的部分滤泡结构示意图见图中的窦的发展阶段1。这种结构由滤泡壁(由壁画颗粒细胞),周边地区由滤泡液(腔)。卵母细胞及其周围层积云细胞,统称为cumulus-oocyte复杂(COC),卵泡内的反常地放置。在一些卵泡(特别是小卵泡),COC坐落在卵泡壁部分;然而,在许多卵泡腔内休息,旁边卵泡壁或附加的颗粒细胞的“干”。周围无血管的卵泡的一部分是基板和外壁外膜interna(没有显示在图1)。的血管供应卵泡,卵母细胞的营养供应,谎言在卵泡膜层的四周。

卵泡液的组成变化之间的毛囊,取决于它们的大小和结构(4,13]。每个窦的卵泡都有一个独特的滤泡液成分,,尽管一些实验研究,但尚不清楚什么是卵泡环境开发成功,使卵母细胞(2,4]。没有一个定量的描述在活的有机体内条件的发展在体外系统必须在某种程度上依赖于一个“试错”的方法。数学建模毛囊的营养运输提供了了解卵泡环境如何影响营养被卵母细胞的水平。以前的数学模型窦的养分运输的卵泡关注调查的氧气(O₂)运输14,15]。这些研究治疗卵泡壁均匀质量的细胞并没有明确考虑COC,认为内,在相同的方式和行为,卵泡壁。我们明确地包含了COC的模型假设下卵母细胞突出到毛囊可能影响其营养环境中。据我们所知,这显式包含卵泡内的COC尚未考虑建模研究。

几个实验研究表明perifollicular多血管与卵母细胞发育能力(2,16]。这反过来又伴随着溶解O₂卵泡液的内容(16),尽管这个协会已经有争议的(17]。而阿₂显然是必不可少的成功的卵母细胞成熟,很高啊₂水平会导致增加的存在,例如,活性氧(ROS),可以破坏卵母细胞(18]。研究的影响₂浓度在在体外成熟的卵母细胞在几个物种尚未取得共识的最佳O₂浓度对卵母细胞成熟,由于冲突的结果(19- - - - - -24]。这里我们提出一个数学模型与perifollicular O₂卵泡液浓度O₂浓度和O₂浓度达到COC窦的毛囊。

因此,这个模型是第一个明确的包括COC,使得附近的营养环境预测卵母细胞本身,以及整个毛囊的措施。该模型预测,O₂窦的卵泡内的水平依赖于卵泡的大小和结构的平均水平溶解O₂在卵泡液到达COC不一定对应。

2。数学模型

2.1。几何模型

这里提出的模型考虑了毛囊壁,腔和COC作为三个独立的区域。窦的卵泡是近似为轴对称结构,与旋转对称的线穿过卵泡的中心和COC的中心。几何模型如图2COC的卵泡内的两个不同的位置。COC的起源是选为中心(标签在图2),距离卵泡的中心。一个适当的坐标系(),从起源和径向距离吗图中所示的角度2(一个)。考虑轴对称几何描述。的起源是在COC的中心,边界的边缘COC是所描述的,在哪里是常数COC的半径。腔的边界,滤泡,,都是 在哪里腔的半径和吗滤泡的半径来衡量从卵泡的中心。当COC部分嵌入到毛囊壁,的值是在COC和腔和相交 如果腔内的COC是完全,那么在(1)。

卵泡的速率增长被认为是缓慢而O₂卵泡内的运输。因此,稳态模型在每个发展阶段的卵泡是适当的。窦的流体形成从血浆渗出液和分泌物颗粒细胞,积云细胞,卵母细胞(25];这可能会导致流体运动,因此混合。它假定任何流体运动是微不足道,所以O的主要机制₂运输在整个滤泡是通过扩散。在腔本身,它假定O₂消费是可以忽略的;因此,阿₂集中在腔,,满足拉普拉斯方程

在卵泡壁我们假设可以视为一个同质层积云细胞内和细胞外的,在以往的模型₂运输在窦的卵泡14,15]。因此,阿₂浓度毛囊壁,,满足 在哪里扩散系数的啊₂在卵泡壁,是细胞外物质的体积分数卵泡壁(细胞外,总体积的比值),然后呢O的速度吗₂由颗粒细胞吸收(金额单位时间内单位体积颗粒细胞质量)。实验测定耗氧量的绵羊的颗粒细胞和小鼠胚胎已表示小依赖O₂浓度,除了在非常低的浓度(26,27]。这个函数因此被认为是独立于阿₂浓度在较早的研究O₂运输在颗粒细胞、胚胎和毛囊(14,15,26,27]。

消费的啊₂由COC纳入该模型通过在COC边界通量条件 在哪里扩散系数的啊₂腔和O的速度吗₂COC吸收(COC单位面积单位时间)。与O₂由颗粒细胞吸收,O₂吸收的COC假定常数。

之间的边界卵泡壁腔流量的连续性和浓度。对称条件适用于和在卵泡壁腔。

O的通量₂卵泡的边界卵泡的边缘,是由 在哪里是啊₂在毛囊周围的血管和浓度的浓度梯度的方向向外单位卵泡表面法向量。的参数是这个问题的传递系数和量化放松啊₂从卵巢的血管网络传输到毛囊。

模型参数的牛窦的卵泡和参数敏感性分析表1。O的扩散系数₂在窦卵泡壁被假定为O₂在生理盐水28]。平均牛排卵期前的卵泡直径是15毫米(29日]。然而,牛排卵的卵泡半径是高度变量,根据排卵卵泡的数量,品种,年龄,和任何激素注射。通过动物的年龄,使用超声分类研究卵泡排卵卵泡的数量,和年(2004 - 2006),显示牛排卵期前的卵泡直径从8 - 30毫米(4-15毫米的半径),平均每组认为从13.9到17.1毫米(6.95 - -8.55毫米半径)[29日]。因此,一系列的滤泡半径值,,15毫米被认为是允许通过发展考虑窦的卵泡排卵。没有明显的滤泡的半径之间的关系和其在牛卵泡壁的厚度窦的毛囊(30.,31日,似乎有相当大的变化在卵泡颗粒细胞数(15]。然而,颗粒细胞数量之间的关系()和滤泡半径被雷丁决定人类et al。15] 在哪里,,是常数。腔的半径,然后计算使用 在哪里颗粒细胞的体积。细胞外物质的体积分数牛卵泡卵泡壁,还不是很确定。的值被认为是典型的体积分数在哺乳动物卵泡卵泡壁14,15和先前的研究中使用的O₂运输在窦的卵泡。然而,在这些研究中,讨论准确的实验测定的体积分数将有利于这种类型的模型。参数的大小是未知的,所以这个参数被认为是一系列的值;模式解决方案都不敏感为m / s。

在特殊情况下,COC位于滤泡中心的模型所描述的(3)- (6)是分析可以解决的。虽然这是一个不太可能的物理场景,特别是在大的毛囊,它提供了数值解的验证程序。同时,在部分将讨论3本研究的,它提供了一个“最坏情况”解决方案,预测O₂浓度达到COC是最低的。雷丁的模型等。14,15COC质量],它包含到卵泡壁也被认为是在这里,控股总细胞群(COC +颗粒细胞)模型之间的常数。这个模型也可解的分析,提供了一个“最佳案例”情况预测O₂浓度达到COC是最高的。当数字解决方案是必要的,他们获得了使用有限元解算器COMSOL多重物理量(版本3.3,COMSOL AB, 2006)。这里显示的解决方案是在两种情况:(1)COC放在卵泡壁的内表面,和(2)腔内的COC COC半径(远离毛囊壁)。

3所示。结果

当COC细胞群纳入毛囊壁,预测O₂浓度腔是恒定的,等于在卵泡壁的内部边界,也就是不到perifollicular浓度。然而,当COC是显式地包含在建模时,会显著降低₂附近的浓度。图3显示了啊₂浓度(归一化)1毫米半径的卵泡腔COC在两个不同的位置。

是简单的实验测量的意思是溶解O₂在卵泡液浓度,而很难测量₂浓度附近的COC,特别是在活的有机体内。这意味着阿₂浓度,根据我们的模型预测,是策划与滤泡半径在图4(一)COC纳入毛囊壁,(B)的COC放在内部边界毛囊壁,(C) COC的距离一个半径(r_C)远离毛囊壁,(D)卵泡的COC的中心。案例(一)模型被雷丁et al。14,15人类卵泡,我们的结果对应于人类的参数值时,模型的研究。例(A)和(D),分别提供一个最大值和一个最小值的预测意味着卵泡液O₂浓度和解决方案在这种情况下没有本质上的区别。一个典型的排卵的卵泡半径范围(29日)所示,这对应于一个局部最小值₂浓度。

然而,模型的预测意味着O₂在COC表面在每种情况下不同浓度的预测意味着很大的O₂浓度在卵泡液(图5(一个))。很明显,越接近COC腔的中心,阿越低₂集中在其表面。图5 (b)显示的比例意味着O₂在卵泡液浓度均值O₂在COC表面浓度情况下,COC是显式地包含在造型(例B, C, D)。当COC取决于毛囊壁(B), O₂到达COC是卵泡液平均水平的60%,这个比例减少的COC接近腔的中心。

扩散系数模型是高度敏感的和。在文献中有一些讨论在组织适当的氧扩散系数(见[32文献)进行彻底的讨论关于这个问题)。如果是这样,要么扩散系数低于生理盐水,这将减少O₂在COC表面浓度在整个腔和,但不会改变结果的定性性质。类似的变化和、属性的COC模型很敏感,不改变结果的定性性质。

4所示。讨论

在这里,我们描述了一个数学模型来描述的建设₂运输窦的卵泡中显式地包含一个COC可以伸进去,或者完全在说谎,腔。这个模型允许连接的卵泡O₂浓度,提出了一个可测量的量作为预后参数在辅助生殖技术,和O₂卵母细胞的环境。模型结果表明,卵泡的结构是很重要的在确定O₂可用性的卵母细胞,所以这种结构也可能影响发展的能力,这可能是一个因素重要的在选择辅助生殖的卵母细胞。

模型的预测意味着O₂卵泡液中浓度显示相同的形式获得使用O模型₂运输在窦的滤泡被雷丁et al。14,15),其中并没有明确包括COC。从这些研究结果,本文中描述的工作给予理解水平的溶解O₂在一个窦的卵泡在不同的发展阶段。在窦的开始阶段预测意味着O₂与滤泡半径浓度迅速上升,当地最大的半径(图2 - 3毫米4)。在这个阶段卵泡增长主要是由于腔形成,而不是颗粒细胞增殖。滤泡面积不断增加,减少滤泡壁厚(如滤泡半径的一小部分)允许更多O₂进入卵泡增加导致观察到的O₂浓度与滤泡半径。在卵泡生长,颗粒细胞增殖增加卵泡壁的厚度减少O₂腔内的浓度。

有一个局部最小值₂浓度的预测模型在8毫米半径(16毫米直径),属于典型的牛排卵的卵泡直径的范围。除此之外半径O₂集中在对全球最大卵泡稳步上升,意味着卵泡液的O₂浓度,接近等离子O₂浓度。这意味着比平均排卵期前的毛囊,只要他们足够vascularised,将看到一个比平均O₂浓度。是否这是有益的或有害的后续发展当受精可能取决于ROS水平有关,这是增加在高O₂浓度。在牛IVM已经表明,卵母细胞的发育潜能随卵泡中卵泡和卵母细胞直径15毫米直径(33]。研究中使用荷尔蒙治疗诱导排卵在人工授精之前,卵泡直径的怀孕率增加,大约12 - 15毫米直径,然后随着卵泡大小的增加进一步降低(34,35]。然而,怀孕率的变化与自发排卵卵泡直径没有检测到牛(34]。

我们的模型和以前模型的一个重要区别是显式COC的包容。这允许COC卵泡内的位置被改变决定的影响卵泡几何O₂卵泡内的环境。平均啊₂卵泡液中浓度较高的COC毛囊壁,越接近和忽视的COC模型必然会高估了O₂看到的COC,除非COC是完全纳入卵泡壁。我们的模型表明,滤泡内的COC的位置在决定中起着重要作用₂浓度被卵母细胞和卵泡结构应该考虑,随着平均溶解卵泡液O₂浓度,为了理解O的效果₂浓度对卵母细胞的发育能力。卵泡的影响几何O₂可用性的COC可能表明为什么解散O₂卵泡液的内容尚未最终与卵母细胞的发育能力(16,17]。

的牛饲养甚至人类IVM系统旨在复制已环境,发现卵泡液平均氧浓度可能会大大高于到达COC时应该考虑考虑优化孵化器设置。的几何在体外环境也会影响O的可用性₂COC-for例子,流体的体积COC的成熟可能改变啊₂可用性和这可能需要占在确定孵化器设置IVM。

图3表明,氧浓度的下降在壁画颗粒滤泡壁是小而在滤泡有明显降低氧浓度COC的附近。这意味着颗粒细胞不扮演重要角色在决定卵泡液氧气浓度所以抽出氧气使用的成熟卵母细胞。参数描述耗氧量的壁画颗粒是十倍低于描述由积云细胞耗氧量(卵母细胞周围的细胞直接)由克拉克et al。32]。有在体外从小鼠的证据36,37和牛38)的研究,在缺乏促卵泡激素(FSH)、积云和颗粒细胞的新陈代谢明显不同。这表明不同角色的颗粒和积云细胞在支持发展中卵母细胞。模型显示,积云细胞(32)和颗粒细胞(模仿)似乎多余的氧气,这对卵母细胞内ATP生产是必要的。然而,积云细胞必须提供葡萄糖代谢产物如丙酮酸到卵母细胞支持其代谢(如未成熟卵母细胞对葡萄糖的新陈代谢能力有限(39]),这使卵母细胞和利用氧平衡生产丙酮酸在这些细胞必须满足。另一方面,新陈代谢的壁画颗粒能够在很大程度上厌氧允许尽可能多的氧气通过发展中卵泡。众所周知,切除积云细胞矩阵从卵母细胞卵母细胞发展是有害的(40,41)和卵母细胞的代谢支持积云细胞提供使整个COC纳入IVM系统理想的(5]。另一方面,似乎壁画颗粒细胞对folliculogenesis很重要,而不是为卵母细胞提供营养(36]。这种类型的数学模型应用到其他重要的营养物质,例如,可以进一步了解这两种细胞在卵母细胞的不同角色发展可能导致的改善在体外卵母细胞和COCs的处理。

没有这个模型,也没有以前的模型₂运输在窦的卵泡14,15,26),账户明确血管生成。血管生成在卵泡发生在回应刺激卵泡细胞释放的化学物质的释放42,43]。这些化学物质之一,血管内皮生长因子(VEGF),增加了表达被称为应对缺氧(43]。此外,至少在猪、血管生成开始出现在中型毛囊(43]。这正值一个发展阶段的卵泡养分运输的模型时建议在溶解卵泡液O大幅度下降₂浓度和阿₂可用卵母细胞。这贷款支持的建议,卵泡增长是有限的卵泡内的营养环境(14),以及一个适当的血管供应的发展(43]。卵泡的不均血管供应预计不会有多大影响的一致性₂卵泡液中的浓度,除非有大血管供应的“差距”。这是由于规模小,O₂分子意味着他们容易扩散通过细胞膜,通过细胞外物质。然而,vascularisation可能的分布影响较大分子的运输在卵泡。

细胞与卵泡数量的数据半径在这项研究中的应用是对人类窦的毛囊,而其他模型参数确定了牛卵泡。当地最大的位置₂浓度在卵泡液和COC与牛的数据可以更准确地预测颗粒细胞和卵泡数量半径应该可用。同样准确的参数,该模型可以应用于人类或者其他哺乳动物,以及其他基质扩散容易穿过细胞膜。

模型代表一个理想球形卵泡包含一个球形COC,不占啊₂消耗细胞在任何“茎”附加COC毛囊壁,还是结构和功能COC排卵前的变化。“干细胞”积云细胞将略有减少O₂浓度达到COC。因此,这个理想几何将略有高估O₂环境被COC。在成熟的最后阶段,立即在排卵之前,积云细胞群的扩展,所以积云细胞之间的空间增加,这些细胞周围的细胞外物质变成粘液(40]。计算氧气浓度在成熟的最后阶段,可能需要适当的模型几何形状的变化和,也许,氧气扩散的速度通过积云矩阵向卵母细胞,也就是说,这个地区的扩散系数。最后模型假定在成熟COC耗氧量是恒定的。COC需氧量增加,例如,在开发后期,会降低滤泡氧含量显著(见表1),这可能会限制对卵母细胞的氧的可用性。

5。总结

我们已经描述了一个数学模型,O₂运输在窦的卵泡,链接O₂卵泡液中浓度(用流体从卵巢吸气)O₂COC本身的环境,考虑卵泡的结构。该模型不同于先前的模型卵泡(养分运输的14,15,26在COC的显式包含)。它预测O₂浓度被卵母细胞的显著差异意味着浓度滤泡腔表明卵泡结构以及perifollicular O₂供应会影响成功的卵母细胞成熟的能力。我们的模型可以更好地了解使用滤泡液O₂浓度作为卵母细胞发育能力的指标。因此,它使更好的知情选择卵母细胞用于辅助生殖技术项目和文化条件更好的选择在体外卵母细胞的成熟。

确认

a·r·克拉克支持这项工作,阿德莱德大学奖学金(ASI)阿德莱德奖学金国际。作者感谢有用的评论副教授j·g·汤普森(妇产科,阿德莱德大学的)和一个匿名裁判。