Endometrial receptivity and embryo quality : two parameters to improve embryo live birth rates in Assisted Reproductive Technology

The transfer of a competent embryo into a uterine cavity during the implantion window is a major objective to ensure success in in vitro fertilization (IVF). My thesis work contributes to (i) the identification of new biomarkers for the evaluation of endometrial receptivity (ii) the understanding of embryo competence in IVF.Concerning the first axis, the team has developed the Win-Test®, an endometrial receptivity evaluation test based on the search for a specific transcriptomic signature in endometrial biopsies taken from patients during their theoretical implantation window. The purpose of this test is to determine the appropriate time to replace the embryo. When the “receptive” period is identify, it allows the embryo transfer date to be adapted to the patient’s effective window of implantation, significantly increasing the pregnancy rate after personalized frozen embryo(s) transfer (Haouzi et al, 2020). To date, this test requires two endometrial biopsies and can only be performed on a frozen/thawed embryo transfer. In order to overcome these two constraints, the objective of my thesis was to participate in the development of a non-invasive approach in the evaluation of endometrial receptivity in IVF. Analysis of microRNA expression profiles from endometrial biopsies allowed us to identify certain endometrial microRNAs associated with endometrial receptivity ("receptive" versus "non-receptive") as well as with the success of the attempt ("implantation failure" versus "sucessfull implantation" and "miscarriage" versus "birth") (Drissennek, Baron, et al, 2020). My preliminary results indicate that some of these microRNAs are detected in the serum of patients, thus opening interesting perspectives for the development of a specific non-invasive test of endometrial receptivity.The second axis of my thesis focused on the improvement of the development and the early implant potential of human embryos. In vivo, the embryo evolves in the fallopian tube until the morula stage and arrives in the uterus at the blastocyst stage around D6 post fertilization, in an endometrium supposed to be receptive which will be able to ensure implantation. Physiologically, it has been shown that the oxygen level is 5% in the fallopian tubes and 2% in the uterus. To date, the majority of IVF laboratories in the world use 5% oxygen from D0 to D6 for the in vitro culture of human embryos. Our results showed that biphasic in vitro culture at 5% oxygen from D0 to D3 and then at 2% oxygen from D3 to D5/D6 (thus mimicking physiological oxygen concentrations) significantly improves human embryo development and live birth rates in IVF. Using a transcriptomic approach, our results highlighted the different expression of 707 genes depending on whether the embryos were cultured at 5% oxygen or at 5% and then 2% oxygen, with an overexpression of the majority (93.8%) of dysregulated transcripts in embryos cultured with biphasic strategy (5-2% oxygen). Functional analysis revealed the involvement of these RNAs in key cellular processes of embryonic growth and implant potential; such as proliferation, DNA repair and maintenance of pluripotency. These results open new perspectives for the improvement of embryonic culture conditions, subject to confirmation in a larger scale study.
Le transfert d’un embryon compétent dans la cavité utérine pendant la fenêtre d’implantation est un objectif majeur pour garantir le succès en Fécondation in vitro (FIV). Mon travail de thèse contribue (i) à l’identification de nouveaux biomarqueurs d’évaluation de la réceptivité endométriale (ii) à la compréhension de la compétence embryonnaire en FIV.Concernant le premier axe, l’équipe a mis au point le Win-Test®, test d’évaluation de la réceptivité endométriale basé sur la recherche d’une signature transcriptomique spécifique au sein de biopsies endométriales prélevées chez des patientes pendant leur fenêtre théorique d'implantation. Le but de ce test est de déterminer le moment adéquat pour replacer l’embryon. Lorsque la période « réceptive » est identifiée, il permet d’adapter la date du transfert embryonnaire à la fenêtre implantatoire effective de la patiente, augmentant significativement le taux de grossesses après transfert personnalisé d’embryon(s) congelé(s) (Haouzi et al, 2020). A ce jour, ce test nécessite la réalisation de deux biopsies endométriales, et ne peut être réalisé que sur un transfert d’embryon congelé/décongelé. Pour tenter de s’affranchir de ces deux contraintes, l’objectif de ma thèse a été de participer à la mise au point d’une approche non-invasive de l’évaluation de la réceptivité endométriale en FIV. L’analyse des profils d’expression des microARNs issus de biopsies endométriales nous a permis d’identifier certains microARNs endométriaux associés à la réceptivité endométriale (« réceptif » versus « non réceptif ») ainsi qu'au succès de la tentative (« échec d'implantation » versus « implantation réussie » et « fausse couche » versus « naissance ») (Drissennek, Baron, et al, 2020). Mes résultats préliminaires indiquent que certains de ces microARNs sont détectés dans le sérum des patientes, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes pour la mise au point d’un test non-invasif spécifique de la réceptivité endométriale.Le second axe de ma thèse a porté sur l’amélioration du développement et du potentiel implantatoire précoce des embryons humains. En effet, l’embryon évolue in vivo dans la trompe de Fallope jusqu’au stade morula et arrive dans l’utérus au stade de blastocyste vers J6 post-fécondation, dans un endomètre supposé réceptif qui pourra assurer l’implantation. Physiologiquement, il a été montré que le taux d’oxygène était de 5% dans les trompes de Fallope, puis de 2% dans l’utérus. A ce jour, la majorité des laboratoires de FIV dans le monde utilise pourtant 5% d’oxygène de J0 à J6 pour la culture in vitro des embryons humains. Nos résultats ont montré qu’une culture in vitro séquentielle à 5% d’oxygène de J0 à J3 puis à 2% d’oxygène de J3 à J5/J6 (mimant ainsi les concentrations physiologiques en oxygène) améliorerait significativement le développement embryonnaire humain et les taux de naissances vivantes en FIV. En utilisant une approche transcriptomique, nos résultats mettent en évidence la différentiation d’expression de 707 gènes selon que les embryons aient été cultivés à 5% d’oxygène ou à 5% puis 2% d’oxygène, avec une surexpression de la majorité (93,8%) des transcrits dérégulés dans les embryons cultivés en stratégie séquentielle (5-2% d’oxygène). L’analyse fonctionnelle a mis en évidence l’implication de ces ARNs dans des processus cellulaires clés de la croissance et du potentiel implantatoire embryonnaire ; tels que la prolifération, la réparation de l’ADN et le maintien de la pluripotence. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives quant à l’amélioration des conditions de culture embryonnaire sous réserve de la confirmation sur une étude à plus large échelle.