Embryons in vitro : évolution et perspectives

L’espèce bovine est une des espèces pour laquelle les biotechnologies de la reproduction sont les plus avancées. Dans un article paru dans le numéro spécial “Reproduction des ruminants : gestation, néonatalogie et post-partum” du Point vétérinaire, l’évolution des biotechnologies de première et de deuxième générations (respectivement insémination artificielle et transfert embryonnnaire) a été envisagée [37]. À partir de la fin des années 1980, les techniques de fécondation in vitro (de troisième génération) ont été maîtrisées dans l’espèce bovine, avec la naissance du premier veau en 1986 [2, 11, 27]. Initialement collectés à partir d’ovaires d’abattoir, les ovocytes ont ensuite pu être collectés de façon répétée chez l’animal vivant [³³, 34]. De nombreuses améliorations ont été apportées à ces techniques au cours des années 1990 à 2000. Compte tenu des rendements actuels, l’intérêt de la production d’embryons in vitro par rapport au transfert embryonnaire est plus ou moins évident selon les schémas de sélection [⁴², 43], avec un développement très variable en fonction des pays. Les avantages potentiels qu’elle procure par rapport au transfert embryonnaire classique sont envisagés dans cet article comparativement à l’utilisation de la sélection assistée par marqueurs (SAM), qui est en plein développement.

Activité de production d’embryons in vitro

• En Europe, la production d’embryons in vitro a connu un essor entre 1996 et 2000, avec plus de 13 000 transferts réalisés en 2000, surtout aux Pays-Bas et en Italie. Comme pour la production d’embryons produits in vivo, une très forte diminution de l’activité a été observée depuis 2001 (près de 60 % en cinq ans), sans doute également en relation avec les crises sanitaires. Aux Pays-Bas, l’activité est néanmoins stable depuis 2002 : les ponctions d’ovocytes sont effectuées principalement chez les femelles du noyau génétique appartenant à Holland Genetics, conduites au sein de stations de donneuses. Cette utilisation des donneuses, dès le stade de génisse gestante, permet de produire un nombre important d’embryons dans un laps de temps court, avec des sessions répétées une ou deux fois par semaine sans superovulation (Landman et Merton, communication personnelle). Dans ce pays, cette technique a donc remplacé en partie la production d’embryons in vivo dans le cadre des schémas de sélection.

En France, l’utilisation de la production d’embryons in vitro est restée plus limitée en raison de son coût élevé par rapport à la transplantation embryonnaire classique, des rendements comparés des deux techniques, d’une moindre souplesse des méthodes de production in vitro (respect des intervalles de temps pour la maturation et la fécondation des ovocytes ; moindre congélabilité des embryons produits in vitro) et des difficultés logistiques liées à la mise en œuvre de cette technique en ferme (transport des ovocytes et des embryons entre la ferme et le laboratoire de fécondation).

• En revanche, cette technique s’est développée de façon importante au cours des dernières années en Asie et en Amérique du Sud (voir la ^{FIGURE “Évolution mondiale des nombres d’embryons produits} ). Sur ce continent, plus de 120 000 embryons ont été produits in vitro en 2005, principalement au Brésil chez des donneuses zébus de race nelore [¹⁴, 41]. Cet essor remarquable est lié à plusieurs facteurs :

- la technique de ponctions d’ovocytes est utilisée sans superovulation préalable, ce qui permet de répéter les ponctions un grand nombre de fois et limite le nombre des interventions chez les femelles, avantages appréciés dans les grandes exploitations brésiliennes élevant des zébus ;

- les ponctions de donneuses nelore aboutissent en moyenne à 18 à 20 ovocytes collectés par séance, contre huit chez des génisses de race prim’holstein non superovulées en France [¹⁴, 38, 41] ;

- la pratique de la congélation des embryons ainsi produits est très peu répandue en Amérique du Sud par rapport aux autres continents : en 2005 moins de 1 % des transferts ont été effectués sur ce continent, contre respectivement 53,8 et 61,5 % en Europe et en Asie. Cela peut être lié à des modes d’organisation distincts, à une différence de congélabilité des embryons, au système de production in vitro employé ou à l’espèce des femelles collectées (les embryons de femelles zébus résistent moins bien à la congélation [¹⁴]).

Production d’embryons in vitro

1. À partir d’ovaires collectés à l’abattoir

Évolution des systèmes de culture

• Depuis les premiers essais de fécondation in vitro dans l’espèce bovine, les techniques de culture des embryons in vitro ont considérablement évolué [2, 11, 27, 45]. Les premiers systèmes consistaient en la coculture des embryons avec des cellules d’oviducte ou de cumulus (voir le ^{TABLEAU “Taux de développement} ). Pour des raisons sanitaires, mais aussi afin de faciliter la mise en œuvre de la technique, ces systèmes ont évolué vers la coculture avec des cellules issues de lignées immortalisées (cellules buffalo rat liver, ou BRL, issues de foie de rat, ou cellules Vero issues de rein de singe vert [28, 30]. Puis des méthodes de culture dans des milieux “chimiquement définis”, en l’absence de cellules et sans sérum ont été développées (voir le ^{TABLEAU “Taux de développement après culture dans le milieu} ). Dans des milieux tels que le synthetic oviductal fluid (SOF), il devient possible de cultiver les embryons bovins avec succès sans support cellulaire, même en l’absence de protéines d’origine animale telles que l’albumine bovine sérique.

• Récemment, quelques équipes ont testé l’utilisation de semence sexée (par cytométrie en flux) pour féconder les ovocytes in vitro. Des taux de développement blastocytaire de 10 à 33,2 % ont été rapportés [⁴⁶, 47]. Pour des embryons transférés à l’état frais, Wilson et coll. ont obtenu 24,3 % de gestations (sur 214 transferts) [⁴⁶]. Pour des embryons vitrifiés et issus de fécondation avec de la semence triée X, Xu et coll. ont observé un taux de gestations de 40,9 % (3 627 embryons produits in vitro) [47]. Sur 458 veaux nés, 96 % étaient du sexe femelle. Ces premiers résultats doivent être confirmés par d’autres observations.

Évolution des résultats

• Pour un même laboratoire, les résultats progressent avec le temps et selon l’évolution des systèmes de culture (voir le ^{TABLEAU “Évolution des taux de développement dans différents systèmes de culture”}). Des variations très importantes d’une manipulation à l’autre subsistent encore dans les rendements de production à partir d’ovocytes récoltés à l’abattoir. Il est en effet difficile de contrôler avec efficacité la qualité des ovocytes (et des vaches donneuses) qui peuvent être, en outre, soumis à des conditions d’environnement défavorables lors de la récolte et du transport.

• Au cours des dernières années, les principales tentatives d’amélioration de la production d’embryons in vitro ont porté sur la qualité des ovocytes avant fécondation par modification des conditions de maturation. Dans les conditions de maturation classiques (5 % de CO₂ dans l’air), les radicaux oxygénés libres s’accumulent dans l’ovocyte, entraînant une réduction du glutathion (GSH) intracellulaire, ce qui en diminue le potentiel de développement ultérieur après fécondation. L’addition d’un antioxydant tel que la cystéamine au milieu de maturation permet non seulement d’augmenter significativement le taux de GSH intra-ovocytaire, mais également les taux de segmentation et de développement embryonnaires. Dans de nombreux travaux, ceux-ci approchent ou dépassent les 50 % [32].

En outre, compte tenu de la meilleure aptitude au développement des ovocytes issus de stades folliculaires plus avancés et des ovocytes “maturés” in vivo par rapport aux ovocytes “maturés” in vitro, des efforts ont également été fournis pour tenter de mimer les conditions de la maturation in vivo, en ajoutant dans un premier temps des facteurs de croissance présents dans le follicule, comme l’EGF (epidermal growth factor) [8, 12, ¹⁸, 24, 25, 27, 40].

• Une autre approche consiste à prolonger la maturation in vitro en cultivant l’ovocyte en deux étapes. Dans une première phase, la reprise de la méiose est inhibée par la butyrolactone ou la roscovitine, afin de laisser plus de temps à l’ovocyte pour compléter sa maturation cytoplasmique (^{PHOTO 1}). Ensuite, l’inhibition est levée et il est possible d’espérer une maturation plus uniforme pour l’ensemble de la population d’ovocytes. Ce système n’a cependant pas permis d’améliorer les rendements de production de blastocystes, mais il semble donner des produits (embryons et veaux) normaux [35]. Il aurait une application de type logistique : une courte période d’inhibition (prématuration) permet d’allonger le temps de transport des ovocytes jusqu’au laboratoire de fécondation in vitro, assouplissant ainsi la réalisation des collectes d’ovocytes in vivo [26].

2. À partir d’ovocytes collectés in vivo

• La production d’ovocytes à partir d’ovocytes collectés in vivo (ovum pick up ou OPU) est une technique qui permet de ponctionner des follicules intra-ovariens et d’en aspirer l’ovocyte immature. Elle a été adaptée chez la vache par Pieterse et coll. à partir de la méthode utilisée depuis de nombreuses années chez la femme : les follicules sont visualisés sur l’écran d’un échographe et ponctionnés à l’aide d’une aiguille introduite par le vagin. Cette méthode permet de collecter des ovocytes de façon répétée chez un animal debout (^{PHOTOS 2A} et ^2B) [³³, 34]. Les ovocytes ainsi obtenus entrent ensuite dans le cycle classique maturation-fécondation-culture in vitro, jusqu’à l’obtention d’embryons viables (morulas ou blastocystes) qui peuvent être congelés ou remis en place à l’état frais.

• L’OPU initialement développée en station expérimentale a été ensuite mise en œuvre en ferme par de nombreuses équipes selon des modalités différentes [10, 31]. Les collectes d’ovocytes par OPU peuvent être réalisées régulièrement deux fois par semaine sans superovulation ou après stimulation ovarienne par l’hormone de stimulation folliculaire (FSH), une fois par semaine, une fois toutes les deux semaines ou à intervalles plus espacés [13]. Dans ce cas, les doses de FSH utilisées sont généralement inférieures à celles employées dans les protocoles de production d’embryons in vivo. Les nombres d’ovocytes collectés et d’embryons produits par semaine après OPU réalisées deux fois par semaine chez quatre femelles sans superovulation pendant trois semaines (13,8 ovocytes et 1,8 embryon), puis une fois par semaine après superovulation pendant les trois semaines suivantes (15,1 ovocytes et 2,1 embryons) n’ont pas été significativement différents [21]. Sur l’ensemble des 423 sessions effectuées en France sur le terrain depuis 1997 (toutes races confondues) :

- 13,8 ovocytes ont été collectés en moyenne par séance de ponction après superovulation ;

- 3,8 embryons se sont développés ensuite jusqu’au stade blastocyste, soit un taux de développement embryonnaire moyen de 28 %, en pourcentage des ovocytes collectés (voir le ^{TABLEAU “Nombres d’ovocytes collectés et d’embryons produits par séance de production d’ovocytes à partir d’ovocytes collectés} ).

Des différences entre les diverses races bovines sont observées. D’une part, les nombres d’ovocytes collectés par séance, ainsi que les rendements, pour la race holstein sont généralement plus faibles que ceux constatés pour les autres races : 2,1 embryons produits à partir de 10 ovocytes collectés par séance en race holstein, 3,7embryons à partir de 14 ovocytes en race normande, 3,2 embryons à partir de 11,1 ovocytes en race montbéliarde (444, 23 et 92 séances d’OPU respectivement, données UNCEIA). À l’inverse, d’autres races présentent des nombres d’ovocytes élevés, comme la race Villars-de-Lans, ayant atteint en moyenne 36,2 ovocytes collectés et 35 % de développement (20 séances, données UNCEIA) (^{PHOTO 3}). Cet effet race a également été rapporté par d’autres équipes (Galli et Lazzari, communication personnelle).

Taux de gestations après transfert

1. Transfert à l’état frais

• Les embryons issus des séances d’OPU-FIV (fécondation in vitro), réalisées en ferme en France entre 1997 et 2006, ont été obtenus dans un système de coculture en présence de cellules Vero. À partir des 356 séances de ponction pour lesquelles les résultats de transfert ont été collectés, en moyenne 2,9 embryons par séance ont été transférés à l’état frais (soit 21 % des ovocytes collectés). En moyenne, 1,6 gestation par séance ont été obtenues à J35 (55,1 % de gestations par rapport aux embryons transférés) et 1,4 à J90 (soit 11,5 % et 10,3 % par rapport aux ovocytes de départ à J35 et J90 respectivement).

Des taux de gestation équivalents ont été obtenus après culture des embryons en milieu SOF (55,7 %, 767/1377) (Merton, communication personnelle). Comme pour les embryons produits in vivo, la qualité des embryons évaluée avant transfert (classification de l’International Embryo Transfer Society) influe fortement sur les résultats (embryons de qualité Q1, 52/96 = 54 % ; Q2, 22/53 = 41,5 % et Q3, 12/39 = 30,8 %, résultats UNCEIA 2000-2001, données non publiées) [²⁹].

• Plusieurs études ont fait état de difficultés à la naissance pouvant résulter d’une augmentation du poids des veaux et de l’allongement de la durée de gestation (large offspring syndrome) [20, 44]. Après un recensement mondial des veaux holstein issus d’embryons produits in vitro, les fréquences de veaux de poids à la naissance supérieurs à 50 kg et à 60 kg étaient respectivement de 34 % et de 5,7 % (contre 7,4 % et 0,3 % après insémination artificielle). Cette augmentation de poids s’accompagne d’une fréquence accrue de césariennes et d’une hausse du taux de mortalité périnatale. Ce syndrome semble lié à la présence de sérum dans les milieux de culture [16]. L’évolution des systèmes de culture, et en particulier la généralisation de méthodes de culture sans sérum, semble permettre d’en limiter l’incidence [9]. Ainsi, en France, dans des systèmes de culture sans sérum, les données récentes obtenues en races montbéliarde et abondance montrent une absence de différence entre le poids moyen des veaux obtenus par OPU et production in vitro et celui des veaux nés après insémination (voir le ^{TABLEAU “Comparaison des poids de naissance des veaux issus d’OPU-FIV et des poids de naissance moyens des veaux après insémination artificielle”}) [36].

2. Transfert d’embryons congelés

• Les embryons issus de culture in vitro sont plus sensibles à la congélation que les embryons produits in vivo, en partie à cause de leur contenu lipidique globalement plus élevé et de l’enrichissement spécifique en certaines classes de lipides tels que les triglycérides [1, 6]. Néanmoins, les taux de gestations obtenus avec des embryons congelés avoisinent les 50 % lorsque les embryons sont cultivés en l’absence de sérum (voir la ^{FIGURE “Évolution des taux de gestations après transfert d’embryons congelés”}) (Brevet n° FR 00/07096 ; Merton, communication personnelle) [28].

• La modification de la technique de congélation pourrait également permettre d’améliorer les taux de gestations : la congélation par vitrification, utilisant des concentrations élevées de mélanges de cryoprotecteurs et des vitesses de refroidissement très élevées, peut présenter des avantages pour la congélation des embryons sensibles car elle évite en théorie la formation de cristaux de glace. Elle est en outre rapide et ne nécessite pas d’appareil de congélation puisque les paillettes contenant les embryons sont plongées directement dans l’azote liquide. Les données sur les taux de gestations après transfert des embryons produits in vitro congelés par vitrification ne sont pas nombreuses, mais les taux de gestations, proches de 40 %, ne sont pas réellement plus élevés qu’après congélation classique (voir le ^{TABLEAU “Taux de gestations après transfert d’embryons vitrifiés produits} ). De plus, la technique de vitrification nécessite de respecter très précisément la durée et l’enchaînement des différents bains, contenant des mélanges de plus en plus concentrés de cryoprotecteurs. Ces contraintes sont sans doute un frein au développement de la technique sur le terrain.

Production d’embryons in vitro et schémas de sélection

• En raison du développement potentiel du progrès génétique du principalement à l’augmentation de la pression de sélection et aux gains de variabilité liés à l’utilisation de mâles différents pour une même femelle, l’OPU associée à la production d’embryons in vitro est employée maintenant dans les schémas de sélection [7]. Cependant, cet emploi varie selon les pays. En Europe, la production d’embryons in vitro est développée en Allemagne, en Italie et aux Pays-Bas, alors que la transplantation classique avec production d’embryons in vivo reste la bio­technologie la plus utilisée dans les schémas français [10, 15, ³¹].

• Les difficultés pratiques de mise en œuvre (variabilité des résultats, en particulier chez les femelles jeunes, progrès à réaliser dans la maîtrise de la résistance à la congélation, etc.) et l’augmentation des coûts dans les schémas de grande taille sont sans doute la source de disparités importantes dans l’expansion de ces techniques. Cependant, l’augmentation des coûts serait modérée (140 à 150 %) par rapport au transfert classique, et le surcoût peut être compensé par les gains de variabilité génétique (multiplication par deux des combinaisons possibles père/grand-père maternel ; chez des primipares montbéliardes) [⁴²]. Les avantages de l’OPU pour l’intensité de la sélection et de la variabilité peuvent devenir décisifs pour choisir les caractères fonctionnels. Ces caractères deviennent de plus en plus importants en raison des bénéfices économiques engendrés par les progrès vis-à-vis du statut sanitaire des animaux, des réformes et de l’amélioration des conditions de travail [3, 39].

• La sélection sur des caractères multiples, qui répond aux objectifs des éleveurs et des consommateurs, conduit à la mise en œuvre de programmes de sélection complexes dans lesquels les animaux rassemblant un nombre important de caractères d’intérêt sont recherchés. Dans ce contexte, l’utilisation de la production d’embryons in vitro a été envisagée dans des stratégies pour optimiser le progrès génétique, tout en limitant la consanguinité [43]. Cela est permis par la conception de plans d’accouplements factoriels dans lesquels à la fois les mâles et les femelles sont accouplés avec plusieurs individus du sexe opposé. Dans ce contexte, répéter les séances d’OPU/FIV sans affecter le potentiel de reproduction représente un avantage majeur par rapport à la transplantation embryonnaire.

• Il est de plus possible de soumettre les embryons produits in vitro à un tri génomique (sélection assistée par marqueur ou SAM). Les embryons peuvent ainsi être typés et sélectionnés sur la présence de caractères favorables avant transfert, limitant ainsi le nombre de transferts à réaliser. Cette sélection multi­critères sur embryons produits in vitro pourrait contribuer à inverser la tendance observée sur les performances de reproduction des bovins laitiers [17]. Ces réflexions ont été à l’origine d’un programme réalisé dans le cadre de Genanimal (appel d’offres national pour la recherche en génomique chez les animaux d’élevage) visant à tester la faisabilité et l’intérêt dans les schémas de sélection de la mise en œuvre du typage embryonnaire. Les difficultés techniques, liées notamment aux difficultés de la réalisation de nombreux typages sur des quantités de matériel embryonnaire nécessairement limitées, sont en cours de résolution et la nécessaire cohérence des résultats de typage entre embryons et veaux nés est en train d’être vérifiée. Le génotypage de l’embryon préimplantatoire (associée au sexage) a déjà été utilisé dans le cas du diagnostic de maladies héréditaires, comme l’anémie hémolytique du bœuf de Kobé ou la malformation vertébrale complexe (Merton, communication personnelle) [¹⁹].

Le transfert embryonnaire reste la bio­technologie de l’embryon la plus utilisée dans les schémas de sélection français. La marge de progrès reste importante pour les techniques de production in vitro : leurs avantages potentiels pour la conduite des schémas de sélection sont considérables, surtout si elles sont intégrées avec la SAM, les nouvelles technologies issues de la génomique ou encore le tri de la semence. Dans ce contexte complexe, les interactions entre généticiens et spécialistes de la reproduction sont plus que jamais nécessaires pour définir les modèles et les simulations utiles pour la conduite future des schémas de sélection et choisir les biotechnologies de l’embryon les plus appropriées pour répondre aux objectifs des unités de sélection et aux attentes des éleveurs et des consommateurs.

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