Мітохондрії добре відомі як «енергетичні центри клітини». Вони відповідають за вироблення понад 90% АТФ. Окрім їхньої вирішальної ролі у виробництві енергії, мітохондрії відіграють важливу роль у синтезі органічних сполук, апоптозі (клітинній загибелі), гомеостазі кальцію, а також у клітинних сигнальних шляхах та експресії генів.Мітохондрії мають власний геном, який реплікується незалежно від ядерного геному. Однією з особливостей мітохондрій є те, що вони успадковуються по материнській лінії.
Мітохондрії – це динамічні органели, які проходять цикли поділу та злиття, що є критично важливим для здоров'я клітин. Мітохондріальне злиття – це процес, в якому дві окремі мітохондрії зливаються, щоб об'єднати свою генетичну інформацію. Під час мітохондріального поділу від однієї мітохондрії утворюється дві з розподілом мтДНК між ними. Оскільки мітохондріальне злиття та поділ необхідні для реагування на змінні метаболічні потреби клітини. Такі зміни негативно впливають як на якість ооцитів, так і на розвиток ембріона. Слід зазначити, що мітохондрії необхідні для регенерації антиоксидантів ембріона.
Мітохондрії в ооциті виконують дві основні ролі: одна – підтримка метаболічних потреб ооцита в поєднанні з регуляцією клітинної смерті, а інша – служити резервуаром інтактної мтДНК для майбутнього ембріона. АТФ, що виробляється мітохондріями, відіграє важливу роль у дозріванні як ядра, так і цитоплазми ооцитів.
Ці органели мають здатність розташовуватися в цитоплазматичних областях з вищими енергетичними потребами, що дозволяє їм підтримувати дозрівання ооцита та розвиток ембріона. Загалом, під час розвитку ембріона мітохондрії зазнають структурних та позиційних змін, які дозволяють їм забезпечувати енергетичні потреби, одночасно модулюючи середовище, від якого залежить ключові події та подальша доля ембріона. Занадто мала або занадто велика кількість мітохондрій є ознаками низької життєздатності ембріона. Аномальне функціонування мітохондрій ооцитів, може спричинити аномальний розвиток ембріона. Низький вміст мтДНК яйцеклітин пов'язують з невдачею запліднення та аномальним ембріогенезом. Мітохондріальна маса в ооциті повинна бути достатньою, щоб бути розділеною між різними бластомерами та дозволити їм мати власні мітохондрії, що виробляють достатню кількість АТФ та метаболітів, необхідних для їхнього функціонування та розвитку. Навіть якщо кожна мітохондрія може мати низький рівень метаболізму, узгоджена дія великого набору ембріональних мітохондрій є абсолютно критично важливою для подальшого розвитку ембріона. Висловлено припущення, що ембріональні збої можуть бути наслідком асиметричного розподілу мітохондрій у на стадії пронуклеусів. Це може призвести до непропорційного успадкування мітохондрій та, можливо, до бластомерів зі зниженою здатністю до генерації АТФ, що може знизити компетентність розвитку.
мтДНК має частоту мутацій у сто разів вищу ніж ядерна ДНК. Ця висока частота пов'язана не лише з помилками реплікації, але й з пошкодженнями, спричиненими активними формами кисню. Зміна енергетики мітохондрій ще більше прискорює пошкодження мтДНК, а набуті мутації порушують реплікацію мтДНК та процес видалення дефектних мітохондрій. Це призводить до накопичення соматичних мутацій мтДНК та зниження вироблення енергії мітохондріями. Як тільки мітохондрії не задовольняють енергетичні потреби тканини, починають проявлятися функціональні та метаболічні дефіцити. Мутації мтДНК набуваються з роками і тому є більш поширеними з віком, але також можуть успадковуватися шляхом запліднення гетероплазматичного ооцита. Тип мутації мтДНК та те, чи була вона успадкована чи набута в дорослому віці, впливає на рівень мітохондріальної дисфункції та широту її поширення.
Мутації мтДНК можуть призводити до зниження вмісту АТФ, що спричиняє ембріональні аномалії, такі як зупинка дроблення, уповільнений розвиток, втрата бластомерів внаслідок апоптозу та зрештою, невдача імплантації.
Всі мітохондрії, які активні в ембріонах, мають ооцитарне (материнське) походження. Таким чином, материнські мітохондріальні аномалії неминуче передаються ембріонам. Якщо мітохондрії несуть специфічні материнські успадковані мутації, сумісні з імплантацією, вагітністю та народженням, ці мутації будуть передаватися дитині, що призведе до передачі відповідних захворювань, які часто спричиняють смерть в ранньому віці, і це може відбуватися незалежно від віку матері.
Крім того, на людську фертильність та ранній ембріогенез можуть впливати точкові мутації або делеції в мітохондріальній ДНК. Вважається, що фенотипічний поріг зазвичай становить близько 60% для делецій та близько 90% для точкових мутацій.
Виробництво АТФ на ранніх стадіях ембріона забезпечується мітохондріями, принаймні до компактизації. Після компактизації глюкоза стає важливим субстратом, але кількісно робить лише скромний внесок у генерацію АТФ. Змінена мітохондріальна активність пов'язана із загибеллю ембріона на різних стадіях розвитку. Здатність ембріона імплантуватися, але гинути в середині вагітності, є характерною рисою виснаження мітохондріального пулу, спричиненого порушенням реплікації мтДНК.
Слід зазначити також, що мітохондрії сприяють епігенетичній регуляції ооцитів та ембріонів. Епігенетична регуляція, опосередкована динамічними змінами статусу метилювання ядерної ДНК ооцитів та ранніх ембріонів, має вирішальне значення для нормального розвитку ембріона. Найважливіші епігенетичні зміни відбуваються протягом периімплантаційного періоду, що робить його дуже чутливим до метаболічних збоїв.
Мітохондріальні захворювання – це група генетичних захворювань, які можуть охоплювати широкий спектр порушень клітинних процесів, включаючи біоенергетику, синтез кофакторів та попередників макромолекул, окисно-відновний баланс, імунітет, протеостаз, обробку кальцію та гомеостаз активних форм кисню. Спочатку мітохондріальні захворювання вважалися рідкісними дитячими захворюваннями, спричиненими рецесивними ядерними генами. Поширеність дітей, народжених з тяжкими мітохондріальними захворюваннями, оцінюється в 6/100 000. Однак останнім часом стає все більш очевидним, що мітохондріальна дисфункція включає широкий спектр поширених метаболічних, дегенеративних та злоякісних захворювань у дорослих. Зазвичай це складні синдроми з помітною варіацією клінічної картини у різних пацієнтів, що охоплюють кілька систем органів та мають нечітку схему спадковості. Тим не менш, вже існує спосіб подолати передачу мутацій мтДНК, успадкованих по материнській лінії, — використання технологій мітохондріальної заміни. Наразі в клінічній практиці застосовуються два методи переносу — перенос материнського веретена поділу та перенос пронуклеусів.
Мітохондріальний бал (MitoScore) – це біомаркер, який вимірює кількість мітохондріальної ДНК (мтДНК) в ембріоні для оцінки його енергетичного статусу та життєздатності для імплантації. Значення є співвідношенням, вмісту мтДНК до ядерної ДНК, а не визначенням абсолютної кількості чи вмісту. Цей параметр допомагає відбирати ембріони з найвищим потенціалом для вагітності, зазвичай надаючи пріоритет тим, які мають оптимальний, помірний рівень енергії. Оскільки вимірювання мтДНК/ДНК є частиною багатьох звітів передімплантаційного генетичного тестування (PGT-A), це значення може бути особливо корисним для визначення, яку еуплоїдну бластоцисту перенести першою. Підвищена кількість мтДНК в еуплоїдних ембріонах пов'язана з низьким потенціалом імплантації. Дослідження показують, що збільшення мітохондріальної ДНК в ембріоні свідчить про недостатній рівень енергії. Слід зазначити, що оцінювати ембріони лише за мітохондріальним балом не варто, оптимальним і комплексним підходом буде використання як морфокінетичних параметрів, морфологічних та генетичного статусу ембріона.