Klinische Anwendung der Array-CGH (Microarrays, „Genchips“) in der
Pränataldiagnostik
Maximilian Schmid, Barbara Pertl, Christoph Duba, Michael Speicher
Zusammenfassung:
In den letzten Jahren haben sich die Methoden der genetischen Analyse rasant
weiterentwickelt. In der Pränataldiagnostik ist die klassische Chromosomenanalyse
durch ein weiteres Verfahren mit einem deutlich besseren Auflösungsvermögen, der
sogenannten „Array-CGH“ (engl.: comparative genomic hybridization, CGH; deutsch:
vergleichende genomische Hybridisierung) ergänzt worden. Die Array-CGH ist in der
Lage, auch sehr kleine Verluste (sogenannte „Deletionen“) oder Gewinne
(sogenannte „Duplikationen“) an Chromosomen nachzuweisen, die mit der
herkömmlichen Chromosomenanalyse nur schwer oder gar nicht erkannt werden
können. Diese numerischen Veränderungen werden auch Kopienzahlvarianten
(engl.: copy number variations [CNVs]) genannt. Der große Vorteil der Array-CGH
besteht im verbesserten Auflösungsvermögen, ein Nachteil ist jedoch, dass die
Bedeutung von CNVs nicht in allen Fällen leicht zu bestimmen ist. Trotzdem wird
erwartet, dass die Array-CGH die konventionellen zytogenetischen Verfahren in der
Pränataldiagnostik in naher Zukunft ablösen werden.
Hintergrund:
Seit den 1970er Jahren ist die Karyotypisierung das Standardverfahren in der
pränatalen genetischen Diagnostik. Dabei werden die fetalen Chromosomen nach
Behandlung mit Trypsin und dem Farbstoff Giemsa (GTG-Färbung) mikroskopisch
untersucht. Chromosomenaberrationen werden dabei jedoch nur oberhalb einer
bestimmten
Größe
(ca.
4
-
5
Millionen
Basenpaare)
erkannt.
Viele
krankheitsverursachende Veränderungen liegen in ihrer Ausdehnung aber unterhalb
dieser Auflösungsgrenze. Solche Mikrodeletionen und Mikroduplikationen sind häufig
Ursache für syndromale Erkrankungen, die mit Fehlbildungen und/oder mentaler
Retardierung
einhergehen
können.
Die
Array-CGH,
auch
molekulare
Karyotypisierung genannt, ermöglicht es solche submikroskopischen Veränderungen
zu erkennen. Dabei ist anzumerken, dass monogenetische Erkrankungen die auf
einer Veränderung der DNA-Basensequenz beruhen auch mittels Array-CGH nicht
erkannt werden.
Methode:
Das Prinzip der Array-CGH beruht auf einer Hybridisierung farblich markierter DNA
an ein Raster von immobilisierten DNA-Fragmenten, die bestimmten chromosomalen
Regionen
im
Genom
entsprechen.
Patienten-
und
Referenz-DNA
werden
unterschiedlich markiert und gemeinsam auf den Microarray („Genchip“) hybridisiert.
Das Verhältnis der Fluoreszenzintensitäten jeder einzelnen Sonde gibt Aufschluss
über die Kopienzahl der entsprechenden DNA Abschnitte. Abweichungen von der
Norm („copy number variations“, kurz CNVs) können so erkannt werden. Die
Auswertung der Ergebnisse erfolgt mittels einer speziellen Software, die es erlaubt
genaue Angaben über den Zugewinn oder Verlust von Erbmaterial zu machen. Bei
der Auswertung und Interpretation der Daten hinsichtlich der klinischen Relevanz
spielt die Datenbankenrecherche eine große Rolle.
Anwendung in der Pränataldiagnostik:
In rezenten Studien konnte nun auch für die Pränataldiagnostik gezeigt werden, dass
mittels
Array-CGH
Chromosomenaberrationen
die
im
Detektionsrate
Vergleich
zu
krankheitsrelevanter
herkömmlichen
zytogenetischen
Verfahren wesentlich verbessert werden kann. Wegweisend für den Einsatz der
Array-CGH in der Pränataldiagnostik ist vor allem eine prospektive Studie, die am
Columbia University Medical Center in New York und 28 weiteren US-Zentren
durchgeführt worden ist1. Im Rahmen dieser Studie wurden die Ergebnisse von
Array-CGH und Karyotypisierung an 4.406 Proben aus Amniozentese oder
Chorionzottenbiopsie verglichen. Die Array-CGH war in 98,8% der Fälle technisch
erfolgreich; 87,9% der Proben konnten ohne Gewebekultur, also besonders rasch,
analysiert werden. Alle Aneuploidien und unbalancierten Translokationen wurden
mittels Array-CGH erkannt. Es konnte darüber hinaus eine höhere Detektionsrate
krankheitsrelevanter Chromosomenaberrationen nachgewiesen werden. In Fällen,
bei denen eine Auffälligkeit im Ultraschall vorlag (z.B. Fehlbildungen) wurde eine
zusätzliche Detektionsrate von 6% beschrieben. Bei sonstigen Indikationen (z.B.
auffälliges Ersttrimester Screening) lag die zusätzliche Detektionsrate bei 1,7%.
Insgesamt lässt sich aus den vorliegenden Daten ableiten, dass die Array-CGH umso
eher eine zusätzliche Chromosomenaberration aufdeckt, umso schwerwiegender die
Auffälligkeit im Ultraschall bzw. die Fehlbildung ist. Hier ist auch zu erwähnen, dass
außerdem eine erhöhte Nackentransparenz eine mögliche Indikation für eine ArrayCGH darstellt. Bei einer Nackentransparenz >3,5mm (i.e. > 99. Perzentile) wurde
eine zusätzliche Detektionsrate klinisch signifikanter Chromosomenaberrationen von
bis zu 8.3% beschrieben 2.
Aufgrund der hohen Auflösung hat die neue Methode das Potenzial auch
Mikrodeletionen und Mikroduplikationen (CNVs) aufzudecken, deren klinische
Bedeutung derzeit nicht klar ist. Dies liegt daran, dass das Erbgut jedes - auch
gesunden - Menschen CNVs aufweist, sodass es auch CNVs gibt, die keinerlei
Auswirkungen für die Empfänglichkeit oder Ausprägung für mögliche Erkrankungen
oder Symptome haben. Somit gibt es, wenn CNVs entdeckt werden, drei
Interpretationsmöglichkeiten:
1) Ein CNV ist mit hoher Wahrscheinlichkeit „pathogen“, also ursächlich
verantwortlich für die Ultraschallauffälligkeiten oder andere Probleme in der
bestehenden Schwangerschaft.
2) Ein CNV ist mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht pathogen und kann als eine
harmlose Variante eingestuft werden.
3) Bei einem CNV ist eine Unterscheidung zwischen pathogen und nicht pathogen
sehr schwierig oder derzeit sogar unmöglich. Diese CNVs werden als VOUS
bezeichnet (variants of unknown significance).
In allen Fällen wird versucht, eine möglichst genaue Zuordnung der CNVs zu
erreichen. Zur Unterscheidung pathogener bzw. nicht pathogener CNVs werden
folgende Parameter herangezogen:
•
Ist die Veränderung neu aufgetreten oder schon bei einem Elternteil vorhanden?
Lässt sich ein CNV auch bei einem der beiden Eltern nachweisen, spricht dies
eher für eine Variante ohne Konsequenzen für den Phänotyp.
•
Es wird an Hand von internationalen Datenbanken überprüft, ob der gefundene
CNV schon einmal beschrieben wurde und wie die Bedeutung dieses CNVs von
Kolleginnen und Kollegen interpretiert wurde.
•
Es werden Gene innerhalb der CNV Region identifiziert und überprüft, ob es
Hinweise gibt, dass die Funktion eines dieser Gene die Ultraschallauffälligkeiten,
die beim Feten gefunden werden, erklären kann.
•
Sowohl Größe als auch Position eines CNVs im Genom werden zusätzlich zur
Beurteilung der Pathogenität hinzugezogen.
Ein Nachteil der Array-CGH besteht vor allem im Bereich der unzureichenden
Diagnose von balancierten Translokationen, niedriggradigen Mosaiken und der
Triploidie. Daher wird ein Microarray oft nach oder in Kombination mit herkömmlichen
zytogenetischen
Verfahren
(Fluoreszenz
in
situ-Hybridisierung
[FISH],
Karyotypisierung) angewendet. Umstritten ist derzeit ob jeder Patientin, die eine
invasive pränatale Diagnostik in Anspruch nimmt, die Durchführung einer Array-CGH
angeboten werden muss. Klar ist, das insbesondere bei Vorliegen einer oder
mehrere Fehlbildung oder einer Nackentransparenz >99. Perzentile über die
Möglichkeit einer Array-CGH bzw. einer weiterführenden genetischen Beratung
aufgeklärt werden sollte.
Beratung:
Die Möglichkeit der Aufdeckung von VOUS im Rahmen einer Array-CGH
unterstreicht vor allem die Wichtigkeit der Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben in
Bezug auf eine adäquate Beratung vor und nach einer pränatalen genetischen
Analyse. Dabei ist insbesondere auf diagnostischen Möglichkeiten und Grenzen der
Methode, die Möglichkeit der Generierung von „Zufallsbefunden“, sowie die
Möglichkeit der Aufdeckung genetischer Veränderungen unklarer Bedeutung
hinzuweisen.
Literatur:
1. Wapner RJ, Martin CL, Levy B, Ballif BC, Eng CM, Zachary JM, Savage M, Platt
LD, Saltzman D, Grobman WA, Klugman S, Scholl T, Simpson JL, McCall K,
AggarwalVS, Bunke B, Nahum O, Patel A, Lamb AN, Thom EA, Beaudet AL,
Ledbetter DH, Shaffer LG, Jackson L. Chromosomal microarray versus karyotyping
for prenatal diagnosis. N Engl J Med. 2012 Dec 6;367(23):2175-84.
2. Leung TY, Vogel I, Lau TK, Chong W, Hyett JA, Petersen OB, Choy KW.
Identification of submicroscopic chromosomal aberrations in fetuses with increased
nuchal translucency and apparently normal karyotype. Ultrasound Obstet Gynecol.
2011 Sep;38(3):314-9.
Ass.-Prof. Priv.-Doz. Dr. Maximilian Schmid
Abteilung für Geburtshilfe und feto-maternale Medizin
Universitätsklinik für Frauenheilkunde
Medizinische Universität Wien
Allgemeines Krankenhaus der Stadt Wien
Währinger Gürtel 18-20
1090 Wien
Ao.Univ.Prof. Dr. Barbara Pertl
Pränatalzentrum Graz Ragnitz
Universitätsklinik für Frauenheilkunde und Geburtshilfe
Medizinische Universität Graz
8010 Graz
Univ.Doz. Dr. Hans-Christoph Duba
Humangenetische Untersuchungs- und Beratungsstelle
Landes- Frauen- und Kinderklinik Linz
Krankenhausstraße 26 – 30
4020 Linz
Univ. Prof. Dr. Michael Speicher
Institut für Humangenetik
Medizinische Universität Graz
Harrachgasse 21
8010 Graz

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