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Médecine de la Reproduction

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Le time-lapse : bilan et perspectives en 2019 Volume 21, numéro 1, Janvier-Février-Mars 2019

Illustrations


  • Figure 1

Apparue dans les années 2010, la technologie du time-lapse a immédiatement généré beaucoup d’intérêt et s’est rapidement développée dans de nombreux laboratoires. Alors que l’intérêt de cette technologie pour optimiser les conditions de culture embryonnaires et améliorer l’évaluation de la qualité embryonnaire est généralement reconnu, son apport réel pour l’amélioration des chances de succès des couples reste toujours débattu dans la littérature. Malgré certaines limites, l’utilisation du time-lapse offre des perspectives prometteuses en recherche et en fécondation in vitro (FIV). Dans cette revue, nous proposons de rappeler le principe du time-lapse, puis de présenter une synthèse de la littérature disponible sur l’apport clinique du time-lapse, et, enfin, de discuter les limites et les perspectives de cette technologie.

Principe du time-lapse

Depuis les débuts de la FIV, la technique de référence pour l’évaluation de la qualité embryonnaire, et donc pour le choix de l’embryon à transférer, repose sur l’observation microscopique qualitative de la morphologie embryonnaire. Les consensus des sociétés savantes ont défini les caractéristiques du développement embryonnaire précoce corrélées avec les chances de succès. Il s’agit du nombre, de la taille et de la régularité des cellules, de l’apparence du cytoplasme et de la présence de noyaux [1]. Cette observation répétée de la morphologie embryonnaire impose un examen quotidien des boîtes de culture sous le microscope, exposant les embryons à des conditions non optimales de température, d’atmosphère et de luminosité. De plus, l’ouverture répétée des incubateurs pour sortir puis remettre chaque boîte de culture lors de l’évaluation morphologique aboutit également à des perturbations prolongées des conditions de culture à l’intérieur même des incubateurs, du fait du temps assez long nécessaire à la récupération de conditions équilibrées [2]. Ces limites bien connues ont abouti à la recherche de solutions techniques permettant à la fois d’optimiser les conditions de culture embryonnaire et leur évaluation morphologique. Les systèmes time-lapse, déjà connus pour d’autres applications, en culture cellulaire notamment, ont ainsi été développés et adaptés à la FIV chez l’homme, permettant un excellent compromis entre l’étude approfondie et continue du développement embryonnaire préimplantatoire et le maintien de conditions de culture optimales [3].

Le principe du time-lapse est de coupler l’incubateur et le microscope au sein d’un même appareil, permettant ainsi l’observation sans manipulation des ovocytes et embryons jusqu’au moment du transfert ou de la congélation. Chaque ovocyte ou embryon est photographié à intervalle régulier par un microscope situé à l’intérieur de l’incubateur, sans nécessité d’ouvrir la chambre d’incubation. Ces images successives, prises 24 h sur 24, sont enregistrées et restituées sous forme de vidéo (time-lapse) présentant le déroulement du développement embryonnaire. À la fin des années 1990, une première publication pilote a présenté le principe du time-lapse et son application possible en embryologie humaine en décrivant les phénomènes liés à la fécondation [4]. Une dizaine d’années plus tard, une étude rapportant pour la première fois l’observation du développement embryonnaire jusqu’au stade de blastocyste a été publiée [5]. Il existe aujourd’hui plusieurs modèles commerciaux de systèmes time-lapse, certains à intégrer dans des incubateurs (Primovision®), d’autres combinant les deux systèmes dans un même équipement (Embryoscope®, Geri®, MiriTL®, etc.). Les différences principales entre ces appareils concernent le type de microscope, les modèles de boîtes utilisées pour la culture embryonnaire et les logiciels d’annotation embryonnaire. Le principe d’observation répétée d’images dans des conditions stables reste cependant le même.

L’avènement des systèmes time-lapse a fait émerger le concept de paramètres morphocinétiques du développement embryonnaire. Ces paramètres regroupent les aspects morphologiques traditionnels (nombre, taille, régularité des blastomères, expansion du blastocyste, etc.) en les associant à leur cinétique précise d’apparition. La première publication d’envergure portant sur la description et l’intérêt de ces paramètres morphocinétiques en FIV chez l’homme date de 2011 [6]. Le résultat est l’heure à laquelle se sont produites les divisions cellulaires successives : t2, t3, t4, etc. pour les passages à deux cellules, à trois, à quatre, etc. L’évaluation morphocinétique permet également de mesurer précisément de nouveaux paramètres, tels que la durée des cycles cellulaires ou la synchronie de division. De plus, certains phénomènes anormaux ont pu être facilement observés et intégrés à l’évaluation de la qualité embryonnaire (clivage direct d’une cellule en plus de deux cellules filles, fusion cellulaire de deux blastomères, réabsorption de fragments, exclusion de cellules lors du processus de compaction, etc.). Devant l’avènement de ces nombreux nouveaux paramètres et dans un souci de standardisation, des recommandations sur la nomenclature à utiliser et les éléments à observer ont été publiées dès 2014 [7]. Depuis lors, de très nombreuses études ont évalué l’intérêt de ces paramètres morphocinétiques, seuls ou combinés sous forme de modèle, pour la prédiction de la qualité embryonnaire et des chances de grossesse.

Bilan de l’intérêt clinique du time-lapse

Depuis les années 2010, le nombre d’études utilisant la technologie time-lapse est en constante augmentation. Ainsi, on dénombre, sur la base de données Medline-Pubmed près de 220 articles répondant aux mots-clés « time-lapse », « culture », « embryon » et « humain », plus de la moitié de ces études ayant été publiées ces trois dernières années (figure 1). Cela illustre le recours croissant à ces systèmes d’incubation avec caméra embarquée pour la culture des embryons humains obtenus en FIV depuis les premières études sur leur utilisation en routine [6, 8]. Pour autant, quelle est la place de ces systèmes time-lapse en pratique clinique et quels bénéfices attendre de cette technologie ?

Même si la littérature est abondante sur l’utilisation des systèmes time-lapse en clinique, les études ayant un haut niveau de preuve scientifique sont rares, qu’il s’agisse de méta-analyses ou d’essais contrôlés randomisés. Nous ne discuterons pas ici en détail des très nombreuses études rétrospectives de cohorte ou cas-témoin disponibles dans la littérature. Cependant, et malgré leurs biais potentiels, la grande majorité de ces études concluent à une amélioration des chances de succès en FIV grâce à l’utilisation des systèmes time-lapse, par comparaison au système conventionnel. Quelques essais contrôlés randomisés ont tenté d’évaluer l’intérêt clinique des systèmes time-lapse. Cependant, les méthodes, les populations de patients et les points de mesure choisis dans ces essais randomisés étaient très hétérogènes, aboutissant à des conclusions divergentes. Certaines études suggéraient ainsi que le suivi des embryons en système time-lapse n’aurait pas de bénéfice clinique par rapport aux incubateurs avec évaluation morphologique conventionnelle [9-15]. À l’inverse, d’autres essais randomisés concluaient à une amélioration des taux d’implantations, de grossesses cliniques et/ou de naissances vivantes [16-19], et à une diminution du taux de fausses couches [16], par utilisation des systèmes time-lapse. La part respective, tenue dans ces bons résultats, de l’amélioration des conditions de culture et du perfectionnement de l’évaluation de la qualité embryonnaire grâce au time-lapse n’est pas encore précisément établie.

Depuis 2014, cinq revues systématiques (avec méta-analyse) ont été réalisées afin de déterminer l’intérêt des systèmes time-lapse par rapport à des systèmes d’incubation conventionnelle [20-24]. Elles permettent d’évaluer deux bénéfices théoriques des systèmes time-lapse :

  • l’amélioration des conditions de culture embryonnaire par rapport aux incubateurs conventionnels,
  • l’amélioration de l’évaluation de la qualité embryonnaire, grâce aux paramètres morphocinétiques, par rapport à l’évaluation morphologique conventionnelle.

Les résultats des premières méta-analyses [23, 24] sont intéressants, mais sont désormais dépassés, suite à la publication récente de plusieurs études prospectives randomisées [13-19].

Plus récemment, en 2017, la méta-analyse de Pribensky et al. [22] a évalué l’impact de la sélection embryonnaire grâce à des paramètres morphocinétiques sur les issues cliniques. Les auteurs concluaient, sur un ensemble de cinq études incluant 1 637 patientes randomisées [10, 14, 16, 17, 25], que la sélection des embryons en système time-lapse était associée à une augmentation significative des taux de naissances vivantes (odds ratio [OR] = 1,668 IC95% = [1,134-2,455], p = 0,009, n = 481) ainsi que des taux de grossesses cliniques (OR = 1,542 IC95 % = [1,211-1,965], p < 0,001, n = 1 637), et à une diminution des taux de fausses couches précoces (OR = 0,662 IC95 % = [0,469-0,935], p = 0,019, n = 904).

Une autre méta-analyse a été publiée en 2017 [21], incluant six études [10, 12-14, 26, 27]. Cependant, le manque d’exhaustivité de cette revue systématique doit être souligné, puisque deux essais contrôlés randomisés [11, 16] déjà publiés à cette époque, n’y ont pas été inclus. L’un des intérêts de cette étude, néanmoins, est qu’elle s’attachait, pour la première fois, à étudier séparément l’apport respectif de l’incubation en système time-lapse et de l’évaluation morphocinétique par rapport à la culture en incubateur conventionnel et à l’évaluation morphologique standard. Cette revue ne mettait pas en avant de différence significative pour les taux de grossesses cliniques. Une différence était néanmoins notée pour les taux de naissances vivantes (RR = 1,23 IC95 % = [1,06-1,44] n = 842 patientes), mais une seule des six études incluses avait analysé ce critère de jugement.

Enfin, la revue systématique de la Cochrane parue récemment [20], portant sur huit essais contrôlés randomisés [10, 11, 13-16, 27, 28], concluait à l’absence de différence significative pour les taux de naissances vivantes (OR = 0,73 IC95 % = [0,47-1,13]), les taux de grossesses cliniques et les taux de fausses couches (OR = 2,25 IC95 % [0,84-6,02]) entre le time-lapse et les incubateurs conventionnels.

Ces revues de la littérature aboutissent donc à des conclusions sensiblement différentes, malgré une méthodologie apparemment rigoureuse. Il est à noter que la publication de chacune de ces méta-analyses a donné lieu à de nombreuses critiques de part et d’autre, notamment méthodologiques. Le débat entre les « pour » et les « contre » sur l’intérêt clinique réel du time-lapse reste donc ouvert, et il est difficile de trouver une réponse unique dans la littérature à ce jour.

Comme montré précédemment, les conclusions des études prospectives randomisées sur l’intérêt clinique du time-lapse divergent. En parallèle, la majorité des études rétrospectives publiées à ce jour concluent plutôt à un intérêt clinique du time-lapse. À noter qu’aucune étude n’a montré un effet délétère du time-lapse sur l’issue des cycles. Cependant, toutes les équipes s’accordent à dire que le niveau de preuve scientifique des études disponibles est modéré, avec un risque de biais, y compris pour les rares essais contrôlés randomisés disponibles à ce jour, qui ont porté sur des effectifs assez limités, des populations hétérogènes (causes de l’infertilité, origine des ovocytes, jour du transfert embryonnaire et nombre d’embryons transférés, etc.) et ont utilisé des critères de jugement principaux variables.

Limites du time-lapse

Malgré ses nombreux avantages, la technologie time-lapse présente également un certain nombre de limites qui sont régulièrement soulignées par ses détracteurs. Le principal inconvénient généralement cité par les professionnels concernant le time-lapse est son coût élevé. Ainsi, 50 % des biologistes français d’assistance médicale à la procréation (AMP) ne possédant pas de système time-lapse identifient l’aspect financier comme frein principal à la mise en place cette technologie [29]. Le coût d’achat des automates time-lapse, ainsi que celui des consommables spécifiques et de la maintenance, est effectivement assez élevé par comparaison aux autres incubateurs utilisés en FIV. Cependant, il est réducteur de ne considérer que ces coûts directs dans l’évaluation financière de cette technologie. Comme cela est présenté plus largement dans un autre chapitre de cet article, le time-lapse présente de nombreux avantages qui participent à optimiser la prise en charge des couples et l’organisation du laboratoire, éléments indirectement mais significativement bénéfiques sur le plan financier. Tout d’abord, l’amélioration des conditions de culture et de l’évaluation de la qualité embryonnaire aboutit à une meilleure efficacité du laboratoire. L’enregistrement des données permet également une large flexibilité dans l’organisation quotidienne du laboratoire en supprimant les contraintes horaires habituelles. De plus, la consommation de gaz, de milieu de culture et d’huile est diminuée. Enfin, le time-lapse peut participer à l’attractivité du centre et donc générer une activité supplémentaire.

L’évaluation de la qualité embryonnaire dans les systèmes time-lapse repose principalement sur l’annotation des paramètres morphocinétiques pour chacun des embryons. Cette annotation est moins subjective que l’évaluation morphologique conventionnelle, mais il est impératif de standardiser les pratiques au sein d’une équipe où plusieurs opérateurs participeraient à cette activité, afin de maintenir la pertinence et la reproductibilité de l’évaluation de la qualité embryonnaire. Des guides d’annotation ont été publiés [7]. Leur utilisation, associée à des contrôles qualité internes réguliers, est recommandée pour optimiser et homogénéiser les annotations du développement embryonnaire.

Alors que l’intérêt clinique des paramètres morphocinétiques et des modèles prédictifs issus du time-lapse a été largement évoqué dans de nombreuses études, leur pertinence reste cependant toujours discutée par certains auteurs [30]. Parmi les points soulevés par les détracteurs de l’utilisation clinique du time-lapse, la performance limitée des modèles prédictifs en dehors du centre où ils ont été développés est régulièrement citée [31]. En effet, les rares études de validation externe ont rapporté des résultats inférieurs à ceux obtenus initialement [32]. Le développement de modèles prédictifs à partir de très larges populations de patients issus de nombreuses cliniques devrait permettre de les rendre plus généralisables [33]. Un autre aspect récemment souligné dans la littérature concerne un risque de biais statistique dû à l’association entre les paramètres morphocinétiques d’une cohorte embryonnaire issue d’un couple et ses caractéristiques cliniques [34]. Ce risque de biais impose la réalisation d’une analyse statistique des données morphocinétiques plus complexe que celle réalisée dans la majorité des études disponibles afin de conclure précisément sur leur capacité à prédire la compétence implantatoire d’un embryon chez un couple donné.

Enfin, l’absence d’étude clinique de haut niveau sur l’intérêt clinique du time-lapse est souvent mise en avant par les opposants au time-lapse pour critiquer ou déconseiller son utilisation. Il est intéressant de noter, tout d’abord, que de telles études de haut niveau n’existent pas non plus pour la majorité des techniques mises en œuvre au quotidien dans tous les laboratoires de FIV, en particulier l’évaluation morphologique conventionnelle de la qualité embryonnaire. Par ailleurs, si les études randomisées de grande ampleur prenant le taux de naissances comme point final restent le gold standard en recherche clinique, leur financement et leur organisation pratique et réglementaire présentent de nombreux obstacles. De plus, leurs critères d’inclusion peuvent aboutir à des conclusions qui ne concernent qu’une partie de la population infertile et pas la population « tout venant ». Par ailleurs, le choix des points de mesure conditionne la pertinence de ces études randomisées. La littérature sur le time-lapse contient par exemple des études randomisées bien construites mais prenant des points de mesure très discutables d’un point de vue clinique [13]. A contrario, la première étude clinique randomisée sur l’intérêt du time-lapse a été exagérément critiquée, sans raison évidente d’un point de vue méthodologique [16]. Plusieurs méta-analyses ont tenté de synthétiser les données issues de ces études randomisées, mais avec des résultats contradictoires [20, 22]. L’hétérogénéité des études incluses dans ces méta-analyses limite pour l’instant la pertinence de leurs conclusions. En parallèle, les études de cohorte bien menées peuvent générer des données de qualité, sous réserve de connaître les biais inhérents à ce type d’étude.

Dans ce contexte, on peut s’interroger, éthiquement parlant, sur la décision de limiter le recours au time-lapse à la recherche clinique, au titre qu’aucune étude randomisée ne conclut formellement à son intérêt, alors que, dans le même temps, de nombreuses études de cohorte semblent indiquer les bénéfices potentiels de cette technologie.

Perspectives du time-lapse

Automatisation de l’analyse morphocinétique

Bien que la technologie time-lapse permette une lecture et une annotation continue du développement embryonnaire préimplantatoire, ces dernières sont actuellement toujours réalisées de façon manuelle, et nécessitent l’intervention d’un personnel formé. Au-delà du temps nécessaire à cette annotation manuelle, un risque théorique de variabilité intra- et interopérateur existe, même si plusieurs études ont démontré que cette variabilité était très limitée et bien inférieure à celle observée en évaluation morphologique conventionnelle [35, 36].

L’automatisation ou la semi-automatisation de la détection des événements du développement permettrait une standardisation des annotations embryonnaires ainsi qu’une plus grande précision, et faciliterait l’exploitation de bases de données multicentriques. Plusieurs outils allant dans ce sens et utilisant des approches complémentaires sont en cours de développement. Une étude pilote sur un nombre restreint d’embryons a montré une corrélation entre les variations des niveaux de gris au sein de l’image provenant du système time-lapse et la détection des événements morphocinétiques [37]. Notre équipe a confirmé l’intérêt de cette approche et amélioré sa performance, grâce à la détection de l’amincissement de la zone pellucide, offrant ainsi une meilleure annotation au stade blastocyste [38].

Des systèmes commerciaux d’annotation partiellement automatisée existent. Un premier dispositif utilisant une détection automatique des stades deux, trois et quatre cellules (Eeva® test, Merck Serono) et couplé à la morphologie conventionnelle a été mis sur le marché il y a quelques années. Cependant, ce système, dans sa première version, n’a pas fait la preuve de sa supériorité sur les stratégies plus classiques de sélection embryonnaire [39]. Une évolution de cet algorithme (Eeva® Xtend algorithm, Merck Serono) associée à un système time-lapse plus complet devrait être plus performante, sous réserve de sa validation clinique. Un outil d’aide à l’annotation a également été mis au point par Vitrolife® (Embryoscope Guided Annotation®), mais il consiste à repérer les périodes d’intérêt avec activité cellulaire, pas à faire l’annotation de façon autonome.

D’autres stratégies, utilisant les outils d’intelligence artificielle, sont actuellement en cours de développement et offrent des perspectives prometteuses d’annotation automatique du développement, mais aussi d’évaluation automatisée de la morphologie embryonnaire [40].

Associations de la morphocinétique avec d’autres marqueurs de qualité embryonnaire

L’amélioration de l’évaluation de la qualité embryonnaire passera certainement par l’association de marqueurs d’origine différente : cinétique de développement, morphologie, protéomique et métabolomique du milieu de culture [41]. Alors que de nombreuses équipes explorent cette stratégie combinée, très peu d’études sont disponibles à ce jour. Une étude pilote a montré que la combinaison de paramètres morphocinétiques embryonnaires et du dosage de l’IL-6 dans le milieu de culture au stade blastocyste au sein d’un même algorithme décisionnel était prédictive des chances d’implantation [42]. L’incorporation de systèmes de microfluidique permettant la réalisation de dosages en continu dans les milieux de culture pourraient représentent l’avenir des systèmes time-lapse sous forme de plateforme « tout en un » [43].

Recherche fondamentale

Les systèmes time-lapse offrent la possibilité d’observer et de décrire de façon précise et objective tous les événements du développement embryonnaire préimplantatoire in vitro[44], mais aussi des mécanismes bien plus précis tels que l’organisation de la chromatine ovocytaire [45] ou l’expression de marqueurs spécifiques de lignées cellulaires [46], lorsqu’ils sont associés à d’autres technologies d’imagerie. L’identification de marqueurs protéiques pertinents grâce à l’exploration du transcriptome et du protéome embryonnaire à différents stades de développement pourra permettre à l’avenir le développement d’outils d’imagerie non invasive intégrés aux systèmes time-lapse[47].

Outil de formation et d’évaluation

L’utilisation des grilles de consensus pour l’annotation des paramètres morphocinétiques [7] permet l’harmonisation des pratiques et contribue à réduire fortement la variabilité intra- et interopérateur dans l’évaluation de la morphologie embryonnaire [36]. Ces systèmes représentent donc un outil de formation, d’habilitation et de suivi des compétences des opérateurs tout à fait adapté pour la mise en place et le maintien d’une politique qualité rigoureuse.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt en rapport avec cet article.

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