在辅助生殖技术（ART）的临床实践中，胚胎质量评估直接关系到移植决策和活产结局。尽管现有评估流程已在临床中广泛应用，但整体活产率仍长期维持在约 30% 左右，这也提示，仅依赖有限时间点的形态学观察，可能难以全面反映胚胎的发育潜能。随着显微成像技术的发展，胚胎培养过程中可以获取连续的明场显微图像，为观察胚胎发育过程中的变化提供了条件。然而，如何在不引入额外干预的前提下，从这些图像中提取稳定、可重复的量化信息，仍是一个现实问题。本次介绍的论文，正是在不改变常规培养和明场成像流程的前提下，探索如何利用胚胎发育过程中的动态信息，为胚胎活产潜能评估提供新的量化思路。
Kanazawa T, Yao T, Takeshita S, et al. Nuclear segmentation in four-dimensional label-free microscopy images for predicting live birth potential of mouse embryos. Comput Biol Med. 2025;198(Pt A):111179. doi:10.1016/j.compbiomed.2025.111179
研究方法
针对明场显微图像中细胞核对比度较低、囊胚期细胞高度密集等成像特点，研究团队设计了一套以小鼠胚胎为对象的 4D 分析流程，对胚胎从受精到囊胚形成的连续发育过程进行观察。这里的 4D，是指在三维空间结构的基础上，同时考虑随时间变化的发育过程。研究在实验设计上将方法构建与结局验证分开进行，分别纳入 84 枚小鼠胚胎用于细胞核识别方法的建立，并使用另外 147 枚胚胎对活产结局进行独立验证，以避免在同一数据集上同时建模和评估。
由于明场图像本身难以直接获得清晰的细胞核参考信息，研究在方法构建阶段引入了荧光成像作为对照，用于建立可靠的标注基础。通过对荧光条件下的细胞核结果进行人工校正，研究人员为对应的明场图像提供了相对准确的参考标准。需要强调的是，荧光标记仅用于方法建立与验证，并不参与后续基于明场图像的分析与预测。
在此基础上，研究提出了 FL²-Net 模型，用于分析胚胎发育过程中的连续显微图像。该模型在分析当前时间点图像的同时，引入相邻时间帧的信息，以利用胚胎发育的连续性，提高在低对比度条件下对细胞核的识别稳定性。针对囊胚期细胞高度聚集的情况，模型能够区分相互贴近的细胞核，并获得较完整的核轮廓信息，进一步提取包括细胞核数量、体积、表面积及其随时间变化情况在内的 11 类形态学指标，用于活产潜能分析。
研究结果
在细胞核分割性能评估中，该方法在不同胚胎发育阶段均表现出较为稳定的识别效果，并在多项评价指标上优于多种常用的三维分割方法。随着胚胎发育进入受精后约 2.5 天的囊胚阶段，细胞数量明显增加、空间结构更加紧密，部分对照方法的分割精度随之下降，而该方法在该阶段仍能保持相对一致的分割表现。进一步的对比实验显示，引入连续时间信息后，模型在早期阶段与不含时间信息的模型差异较小，但在囊胚期细胞高度密集的情况下，其分割稳定性和一致性更为明显。
在活产潜能预测任务中，研究基于细胞核数量、体积、表面积及其随时间变化情况等形态学特征构建预测模型，并在独立测试数据集上获得约 81.6% 的预测准确率。特征分析结果显示，细胞核体积的变异程度在多项预测中具有较高权重，且其影响在胚胎早期发育阶段更为突出，提示细胞分裂过程中细胞核形态变化的稳定性可能与后续发育结局存在关联。
创新与局限
本研究提出了一种基于常规明场显微成像的无标记 4D 胚胎分析流程，使得在不引入外源性染料的情况下，对胚胎发育过程中细胞核变化进行连续量化成为可能。与以单一时间点为主的静态评估方式相比，该方法更加关注发育过程本身，并通过整合时间序列信息，在囊胚期细胞高度密集的情况下仍能保持较稳定的分析表现。同时，研究将模型关注的关键特征与具体的形态学指标相对应，使分析结果更容易与胚胎发育过程建立联系。
需要客观看待的是，本研究基于小鼠胚胎数据开展。尽管小鼠与人类早期胚胎发育在总体过程上具有一定相似性，但在发育节律、卵母细胞尺寸以及细胞核形态等方面仍存在差异，相关方法在应用于人类胚胎评估前仍需进一步验证。此外，该方法对成像质量和时间分辨率具有一定依赖，其在不同临床设备和成像条件下的稳定性仍有待评估。目前分析主要集中于细胞核层面的特征，尚未纳入细胞质结构、透明带等其他信息，后续仍有拓展空间。
意义和展望
总体而言，这项研究展示了一种在常规明场显微成像条件下，对胚胎发育过程进行连续量化分析的技术思路。通过关注细胞核这一相对稳定的结构，并结合时间维度的信息，该方法有望作为传统形态学评估的辅助工具，用于减少不同观察者之间的判断差异。
随着更多接近临床实际条件的人类胚胎数据逐步积累，并结合更多亚细胞结构信息，这类基于 4D 动态分析的方法有望进一步完善，为辅助生殖技术中的胚胎选择提供更加稳定、可解释的支持。