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未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?全基因组测序在遗传病检测中

编辑:INC | 发布时间:2021-11-19 13:36 |
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  未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?全基因组测序在遗传病检测中的临床应用,基因测序是指通过一定的技术手段分析DNA或者RNA片段中的碱基序列,从而为生物学和医学的研究发现提供支持。基因测序能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,个体的行为特征及行为合理,如癌症或白血病,运动天赋,酒量等。随着基因测序技术的高速发展,临床诊断、药物、个体化治疗、农业等领域发生了巨大的变革,并且随着社会各界对基因测序应用行业的关注度越来越高,各领域基于基因测序应用的需求也越来越大。

未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?全基因组测序在遗传病检测中的临床应用

  根据调查,5%到7%的人天生患有罕见疾病。新生儿测序可以筛查出这些遗传疾病,并能对新生儿进行早期治疗。遗传病是指由于基因或基因组的结构或功能改变所导至的疾病。下一代测序(next-generation sequencing,NGS)是遗传病检测领域的一项革新性技术。近年来靶向测序和全外显子组测序(whole exome sequencing,WES)得到广泛认可,逐渐成为辅助医生进行遗传病诊断的重要工具。这些检测手段尽管有效,仍然存在一些技术限制,特别是在检测结构变异(structural variations,SV)等方面。全基因组测序(whole genome sequencing,WGS)有望进一步提升临床遗传检测的效能。WGS对受检者基因组中的全部DNA序列进行检测,较WES所覆盖的区域更广,不仅覆盖了几乎全部基因的外显子序列,也覆盖了内含子序列和基因间序列。现在认为WGS可有效避免在对相关基因组区域进行靶向富集时产生的技术偏差,不仅可以检出单核苷酸变异(single nucleotide variations,SNV),还可以对SV进行分析,并常规性地对线粒体基因组(mitochondrial genome DNA,mtDNA)变异进行分析。同时其操作步骤相对简化,能更加快速地获得更完整的基因组信息。因此,WGS应用于临床遗传诊断有望提高诊断率,缩短诊断流程,节省时间及降低诊疗费用。

  2016年,Cora在波士顿出生。在48小时内,医护人员在她的脚后跟扎出了一点血,用来筛查几十种罕见遗传病,这是美国新生儿都要做的一种标准筛查,主要使用生化测试。但除此之外,在她父母的同意下,研究人员还用Cora的血液进行了另一项试验性的测试:更广泛地检测她的整个基因组,搜索了大约1500个致病基因。

  标准筛查的结果提示可能有一种加工B族维生素的酶,即生物素酰胺酶,发生紊乱;但后续儿科医生的检查结果呈阴性。面对矛盾的测试结果,基因组测序给出了判断:Cora体内携带的基因突变,确实会造成生物素酰胺酶缺乏,尽管轻微,还是可能在将来导致视力问题、学习困难等。

  在获知基因组测序的结果后,Cora的父母根据医生的建议及时采取了治疗措施,让她每天补充生物素。

  像Cora这样,一出生就对整个基因组进行测序,从大量遗传信息中识别出是否有需要治疗的疾病,使其在生命早期及时得到干预,从而在以后的生活中改善健康——这会是未来的普遍做法吗?

未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?

  《科学》杂志在最近一期关于人类基因组的专刊中,《Sequencing every newborn’s genome to detect diseases faces ethical and practical obstacles,but the United Kingdom is pushing ahead with a major test》文章中详细探讨了这种可能性,以及目前人们的一些尝试和担忧。

未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?全基因组测序在遗传病检测中的临床应用

▲《科学》封面(图片来源:Science官网;Graphic:Martin Krzywinski/Canada's Michael Smith Genome Sciences Center;Data:OMIM;E.Pleasance et al.,Nat.Cancer 1,452(2020))

  2001年,人类基因组计划(Human Genome Project)发布了第一份人类基因组的草图。当时担任美国国立人类基因组研究所(NHGRI)所长的Francis Collins博士在电视采访中预测,根据婴儿的DNA序列得出一份所谓的“质量报告分析”,在20年里是“可行的”。2010年,美国国立卫生研究院(NIH)计划了四个试验项目,探索新生儿基因组测序。

未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?全基因组测序在遗传病检测中的临床应用

  在圣地亚哥Rady儿童医院开展的一个试验项目取得了巨大的成功。研究人员通过全基因组测序,检查婴儿是否患有致命而罕见的遗传疾病,从而帮助一些病情危急的婴儿逃脱了死神的魔爪。

  就在前不久,研究团队在知名医学期刊《新英格兰医学杂志》上报告了这样一个病例:在去年10月,一个出生才41天的小男孩被父母带到了急诊室,孩子不知为什么止不住地嚎哭。脑部扫描显示,这个孩子的大脑异常。而在近十年前,类似的一幕曾在这个家庭上演过,这对父母的上一个孩子出生后不久出现过同样的症状,并且最终因无法查明的问题而夭折。

未来每个新生儿都进行基因组测序

《新英格兰医学杂志》报告截图

  这一次,借助于基因组测序项目,医生们在短短半天时间里从孩子的基因组中找到了病因,他们发现了一个出现突变的基因,会导致严重的B族维生素代谢紊乱,这是一种大约100万个新生儿才会出现一例的罕见遗传病。对症下药——补充相应的维生素后,这个孩子很快安静下来,此后至今健康地成长着。

  这名婴儿不是唯一的幸运儿。Rady儿童医院的项目负责人Stephen Kingsmore医生报告说,过去十年里,他和其他团队通过基因组测序,让1839名重病儿童中的36%得到了基因诊断,而根据基因诊断的结果,有533名患儿获得了新的医疗处理,一些婴儿的生命得以挽救。

  美国国家儿童健康与人类发展研究所所长Diana Bianchi博士评论说,基因组测序“正在成为治疗危重新生儿的一种新形式”。

  不过,除了这些令人振奋的积极结果外,《科学》文章中也指出了基因组测序作为婴儿健康筛查工具在目前面临的局限。要在更大的范围内开展新生儿基因组筛查,除了需要复杂的设备和高昂的检测成本外,还有巨大的伦理和其他实际问题。在每个国家,伦理和实践问题比比皆是,包括测试哪些疾病基因,以及是否应该默认进行测试。事实上,美国国立卫生研究院(NIH)资助的一个研究小组在2018年的一份报告中警告说,到目前为止,“所有新生儿的全基因组测序都没有得到支持”。报告指出,许多突变对健康的影响是未知的,许多遗传疾病仍然无法治疗。美国疾病倡导组织和临床遗传学家并没有专注于进行全基因组测序,而是专注于加快现有的缓慢的全国新生儿筛查系统。

  由美国NIH资助的伦理组织在2018年的一份报告中指出,许多基因突变对健康的影响现在并不清楚,还有许多遗传疾病仍然无法治疗。这意味着,即使知道检测结果,对于孩子和孩子的父母来说,未必有指导意义或能提供帮助。

  在Cora参与的试验项目中,研究人员给127名看起来健康的婴儿和32名患病婴儿做了致病基因的筛查。他们发现,在这些婴儿中,14人具备引起儿童遗传病的突变基因,包括了10名看起来健康的婴儿。有88%的婴儿都携带了遗传病基因,家长们很可能对这一发现感到不安,虽然这些疾病需要基因的两个拷贝都发生突变才会发病、而婴儿多半只有一个拷贝。

  在10名看起来健康但具有致病基因的婴儿中,只有Cora后来需要接受治疗,其他大部分孩子尽管带有突变基因,始终没有任何症状,也可能永远不会出现症状。

全基因组测序在遗传病检测中的临床应用

图示:基因组测序显示,科拉·斯特森(中)从父母那里遗传了一种酶缺乏症。现在5岁了,她服用了一种补充剂,身体健康。KEN RICHARDSON

  正如伦敦大学学院的精神病遗传学家David Curtis教授所说,他担心,识别出一些永远不会使婴儿发生重病的基因突变可能导致不必要的检测和家人的焦虑。

  另一个不确定性有关筛查哪些疾病。尽管全基因组测序可以早期发现数百种现在没有生化检测方法的疾病,但不少疾病目前并没有治愈或预防的方法。有一位家长的说法很有代表性,他很高兴在儿子出现杜氏肌肉萎缩症的症状之前,他并不知道儿子有这种疾病,因此他们获得了无忧无虑的四年。

  尽管如此,随着针对罕见遗传病的新兴疗法不断发展,比如基因疗法通过递送正常基因纠正突变,这些令家长担忧的不确定性将有希望得到解决。

未来每个新生儿都进行基因组测序会成为现实吗?全基因组测序在遗传病检测中的临床应用

图示:标准的新生儿筛查是用脚后跟穿刺的血液进行的,随着DNA测序的发展,这种筛查可以大大扩展。RANDY RISLING/TORONTO STAR VIA GETTY IMAGES

  就像Cora的父母那样,他们很庆幸在拿到基因检测结果后,立刻有基因顾问和生物素酰胺酶缺乏症专家来告诉他们要怎么做,从而改变了Cora的生命道路。这或许将会是很多其他家庭的前景。

  全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识解读

  由于WGS产生的数据涵盖受检者的几乎全部遗传信息,为了实现其临床意义以及妥善处理检测相关的复杂遗传咨询问题,2019年中国医师协会医学遗传医师分会发表的《全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识》推荐将全基因组测序(whole genome sequencing,WGS)用于符合孟德尔遗传规律的基因或者基因组疾病。39位医学遗传学专家共同探讨了WGS作为临床遗传病检测手段的关键特征,并从检测申请、检测及分析流程、报告及遗传咨询等方面给出了建议。2021年,美国医学遗传学和基因组学协会(ACMG)发表指南建议将WES/WGS作为多发畸形、发育迟缓/智力障碍患者的一线检测方法。

全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识

《全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识》截图

  WGS与其他遗传病检测方法对比表格

全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识

  有限:指技术固有局限,对CNV识别不全。

  可测:指某些特定情况可测,取决于探针设计。

  WGS的送检目的

  ·对临床诊断不明的遗传病疑似患者,送检目的为寻求分子诊断或鉴别诊断

  ·对临床诊断明确的遗传病患者,送检目的为寻求分子诊断或指导治疗或生育。

  WGS的临床适应征:

  推荐WGS

  ·高度怀疑遗传病可能

  ·患者表型非特异性或临床诊断明确但目标疾病遗传异质性高

  ·为时间或经济效益寻求一次性全面性检测

  可使用WGS

  ·目标疾病遗传异质性低,虽已有公认靶向方案,但可能部分致病变异不在靶向检测的范围

  不推荐使用WGS

  ·目标疾病相当一部分变异不在WGS检测范围

  ·目标疾病致病基因存在同源基因情况

  推荐的临床流程

  检测前遗传咨询应包含:

  送检的目的和意义检测方法、周期及局限性预期结果及可能的风险数据及样本处理的相关规则数据再分析的可能性

  建议的检测流程应包含信息和样本采集

  ·尽可能详细的临床表型

  ·建议HPO或者CHPO

  ·家族史及实验室检查,病理检查和影像及其他检查

  ·样本来源未做要求

  标准操作程序:遵照SOP

  确认性实验应包含:

  ·样本真实性的追踪及确认

  ·用于诊断目的的变异的确认

  ·对新发变异应通过父母来源关系检测确认

  检测的局限性应留意:

  ·涉及高度重复或同源的基因组区域的检测及分析可能不准确

  ·对于mtDNA变异识别存在局限性,需用特异性高的mtDNA检测方法进行验证。原因是线·粒体基因组变异有杂质性的特点

  ·部分基因组区域还存在参考序列的误差和空白间隙

  ·GC比高区域的覆盖可能不完全

  ·部分变异类型,如环状染色体等复杂结构变异,有待确认

  检测报告的要点:

  报告的发放对象:建议检测报告先发给送检者指定的有遗传咨询或临床遗传医师资质的专业人员,考虑国情也可同时发放给送检者(或其法定监护人、代理人)

  报告的形式和内容:一般信息检测信息及局限性检测结果的报告、解读和结论遗传咨询和建议

  检测后遗传咨询的注意事项

  ·检测结果做出明确的基因诊断

  ·是否需要针对性的辅助检查来进一步明确检出变异的致病相关性,尤其是对意义不明的变异是否需要进一步对受检者或家庭成员进行检测验证或排除诊断

  ·根据基因检测结果,是否需进行适当的治疗干预,调整治疗方案或饮食,明确药物禁忌等

  ·根据做出的基因诊断对患者的病情预后发展等进行评估,制定治疗及随访观察计划、并发症的预防干预

  ·对患者和家属提供心理干预或社会救助资源和渠道等

  ·根据遗传规律对父母的再生育风险的评估及其再生育指导,包括产前诊断或辅助生育计划的方式等

  ·患者或先证者的下一代风险评估及其再生育指导

  ·家族内其他家庭成员的风险评估疾病的有关研究进展信息

  研究与临床诊断的界限:

  由于WGS检测的特殊性以及基因与疾病关联性知识的快速更新,临床检测与科学研究的界限容易模糊。但鉴于检测目的的不同以及临床医学的特殊性,WGS在临床诊断和科学研究中的应用有清晰的区别。诊断性检测是指为了直接解决患者医疗过程中的临床问题进行的检测,其目的是为临床诊治提供依据和指导,此类检测应由经认可的临床检测实验室完成,并限于已知与疾病相关的基因。其分析结果可以产生理论假设,在符合医学伦理原则的前提下,可用作科学研究数据。

  科学研究性质的检测是指为了探索或者证明某种科学假说而进行的检测,其结果对于参与研究项目的患者可能临床意义有限。应该告知患者及家庭研究项目存在发现潜在遗传病的可能性;若研究中发现临床相关结果,应该经由诊断体系证实之后方可纳入患者临床病历。

  小结:

  精准的基因诊断的益处包括更好地判断预后、更有针对性的疾病管理以及疾病监测的改善。精准的基因诊断使得能够向患者及其家属提供准确的遗传咨询,并且可以为他们提供额外的优生选择,例如通过实现胚胎植入前诊断、非侵入性产前检测或产前诊断。它还有助于改善患者的健康、教育、社区医疗服务以及来自患者支援团体的信息分享和帮助。一旦有了可靠的分子和临床诊断,GeneReviews和Orphanet等资源库为临床医生提供疾病管理方面的专家建议,Unique和Genetics HomeReference等资源库库也将能够为患者及其家属提供简洁、便于患者使用的疾病讯息摘要。在早期进行专家评估时,NGS的运用提供了一种经济有效的方法,既可以提高诊断的机会,又可以显著缩短诊断时间。在某些情况下,基因诊断还可以带来更好的、或更个性化的治疗。

  部分图片来源网络,如有侵权删

  参考资料:

  1.https://www.science.org/content/article/sequence-every-newborn-s-dna-despite-obstacles-uk-pushes-ahead

  2.DOI:10.1056/NEJMc2100365

  3.全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识.中华儿科杂志

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