Möglichkeiten und Grenzen moderner Hochdurchsatzsequenzierung im Rahmen der invasiven Pränataldiagnostik

Zusammenfassung

Die Aufklärung der Ursachen für fetale Ultraschallauffälligkeiten steht im Mittelpunkt der Pränataldiagnostik. Ergeben sich durch die Ultraschallbefunde Hinweise auf eine genetische Erkrankung, so bieten neue Sequenziermethoden die Möglichkeit, im Rahmen einer diagnostischen Punktion eine Vielzahl genetischer Erkrankungen bereits pränatal sicher diagnostizieren zu können. Mittels massiven parallelen Sequenzierens (MPS) (häufig werden auch die Begriffe Hochdurchsatzsequenzierung oder Next-Generation-Sequenzierung (NGS) synonym verwendet) können, je nach Art der Ultraschallauffälligkeiten, bis zu ca. 50% (bei Skelettauffälligkeiten) der Ursachen für fetale Fehlbildungen aufgeklärt werden. Der Nachweis einer genetischen Erkrankung ermöglicht es, die ratsuchende Schwangere bzw. die ratsuchenden Eltern über die zu erwartende Entwicklung des ungeborenen Kindes zu informieren, und erlaubt eine fundierte Abschätzung des Wiederholungsrisikos. Dieser Übersichtsartikel beschreibt den Nutzen und die Besonderheiten der Pränataldiagnostik mittels Hochdurchsatzsequenzierung und gibt einen Ausblick über die Entwicklung zukünftiger molekulargenetischer Diagnoseverfahren zum vorgeburtlichen Nachweis genetischer Erkrankungen.

 

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Schlüsselwörter

Embryo - Embryonalperiode - Fetalperiode - Genetik - Vererbung - Fehlbildung

Einleitung

Bei ca. 3% aller Schwangerschaften werden fetale Ultraschallauffälligkeiten festgestellt [1]. Diese können von dezenten Abweichungen (z. B. eine geringfügig erhöhte Nackentransparenz oder Softmarker wie ein „white spot“ am Herzen) bis hin zu letalen Multisystemveränderungen reichen. Die Ätiologie dieser Befunde ist sehr variabel und umfasst exogene wie auch genetische Faktoren. Angeborene Fehlbildungen werden bei 2–6% aller Neugeborenen nachgewiesen. Die Abklärung fetaler Ultraschallauffälligkeiten ist Gegenstand der pränatalen humangenetischen Diagnostik [2]. Diagnostische Punktionen spielen dabei eine entscheidende Rolle und sind nach wie vor die einzige etablierte und wissenschaftlich ausreichend evaluierte Möglichkeit der Diagnostik genetischer Erkrankungen aus schwangerschaftsspezifischen Zellen [3]. Nach Chorionzottenbiopsie und Amniozentese wird vor der klassischen Chromosomenanalyse in der Regel ein sogenannter „Schnelltest“ durchgeführt, der den Nachweis der häufigsten Aneuploidien bereits nach wenigen Stunden ermöglicht [4]. Dazu ergänzend wird seit einigen Jahren in vielen humangenetischen Laboren die Durchführung einer Mikroarray-Analyse angeboten, die aufgrund ihrer höheren diagnostischen Auflösung zu einer 5–8,5% höheren Detektionsrate ursächlicher submikroskopischer chromosomaler Imbalancen gegenüber der konventionellen Zytogenetik führt [4]. Allerdings ist diese Untersuchung in Deutschland immer noch eine Individuelle Gesundheitsleistung (IGeL). Bei der Diagnostik genetischer Erkrankungen hat sich inzwischen die Hochdurchsatzsequenzierung als sehr effektive Diagnostik fest etabliert. Ist der Einsatz der Hochdurchsatzsequenzierung im Rahmen einer pädiatrischen Diagnostik bzw. bei erwachsenen Patienten in der Regel unproblematisch, so müssen bei der pränatalen Diagnostik einige Gesichtspunkte dieser Methode berücksichtigt werden. Diese Übersichtsarbeit soll die Methodik der Hochdurchsatzsequenzierung bei der humangenetischen Diagnostik erläutern und auf die Besonderheiten und Limitierungen in der pränatalen Diagnostik hinweisen. Außerdem wird ein Ausblick auf neuere Entwicklungen in der genetischen Diagnostik gemacht.

 

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Grundlagen der massiven parallelen Sequenzierung

Über Jahrzehnte stand die Sanger-Sequenzierung zur Bestimmung der Basenabfolge eines Gens im Vordergrund, um krankheitsverursachende Varianten nachzuweisen. Hierbei werden die zu sequenzierenden Genabschnitte zuerst mittels einer „Polymerase Chain Reaction (PCR)“ amplifiziert. Durch den Einbau von fluoreszenzmarkierten Basen kann dann auf einem Sequenziergerät die Basenabfolge der jeweiligen amplifizierten DNA-Abschnitte bestimmt werden.

Auch wenn die Sanger-Sequenzierung weiterhin für gezielte Genanalysen Anwendung findet, so weist diese Methode doch eine Reihe von Limitationen auf. So müssen für jedes zu sequenzierende DNA-Fragment die Laborprotokolle etabliert, angepasst und validiert werden. Entsprechend der Größe eines Gens müssen teilweise zahlreiche individuelle Ansätze durchgeführt werden. Aus quantitativen und qualitativen Gründen ist das für ein Labor nur dann sinnvoll, wenn eine größere Anzahl an diagnostischen Tests für ein bestimmtes Gen durchgeführt werden. Gerade für seltene genetische Erkrankungen ist diese Situation häufig jedoch nicht gegeben. Die maßgebliche Einschränkung dieser Methode stellt allerdings dar, dass lediglich Einzelgenanalysen möglich sind. Wenn für eine genetisch bedingte Erkrankung mehrere Gene in Frage kommen, so ist eine umfassende Diagnostik aller relevanten Gene nicht möglich. Beispielsweise kommen bei dem Verdacht auf die genetisch bedingte Augenerkrankung Retinitis pigmentosa ca. 100 verschiedene Gene in Frage [5]. Noch problematischer stellt sich der diagnostische Nutzen bei Fällen dar, bei denen sich, aufgrund der unspezifischen klinischen Manifestation eines Patienten, kein konkreter Verdacht auf eine Einzelgenanalyse ergibt. Dies stellt auch den Hauptgrund dar, warum der Einzelgenanalyse in der pränatalen Diagnostik keine große Relevanz zugekommen ist, denn nur selten sind Ultraschallbefunde so spezifisch, dass eine Einzelgendiagnostik erfolgversprechend ist. Selbst bei Skelettauffälligkeiten ist der Ultraschallbefund oftmals nicht in dem Ausmaß spezifisch, dass man zu einer sicheren Verdachtsdiagnose kommt [6]. Somit ist und war die Einzelgenanalyse im pränatalen Kontext in den meisten Fällen auf den Nachweis/Ausschluss von bekannten pathogenen familiären Varianten beschränkt.

 

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Die massive parallele Sequenzierung (MPS). Ein „Game-changer“ der genetischen Diagnostik

Im Gegensatz zu der Sanger-Sequenzierung erlaubt die MPS die parallele Sequenzierung kurzer DNA-Fragmente im hohen Durchsatz (gegebenenfalls die Fragmente eines kompletten menschlichen Genoms). Bei diesem Sequenzierverfahren werden für die Zielregion viele überlappende Fragmente generiert. Mittels bioinformatischer Verfahren werden die Sequenzinformationen einer genomischen Zielregion/Referenzregion zugeordnet. Die Sequenziertiefe/Abdeckung (englisch: Coverage) beschreibt dabei die durchschnittliche Anzahl der sequenzierten Basen je Base der Zielregion. Abweichungen zu der Referenzregion werden erfasst („gecallt“) und mittels aufwendiger Algorithmen gefiltert. Diese Filterung ist erforderlich, da sich für jedes Individuum unzählige Abweichungen (> 3 Millionen bei einer Genomanalyse) von der verwendeten Referenzsequenz ergeben, aber nur einzelne dieser Abweichungen eine mögliche Bedeutung für die gegebene Erkrankung haben können. Durch die bioinformatische Bearbeitung werden alle Varianten herausgefiltert, die aufgrund ihrer genomischen Position, ihrer Häufigkeit in gesunden Kontrollpersonen und weiterer Kriterien (beispielsweise Varianten in Genen, die nicht im Zusammenhang mit dem Erkrankungsbild stehen) nicht als krankheitsverursachend in Frage kommen. Ebenso erfolgt ein Abgleich mit Datenbanken für pathogene Varianten, um potenziell relevante Varianten direkt identifizieren zu können [7]. Die Klassifizierung der Varianten stellt damit die größte Herausforderung der Hochdurchsatzsequenzierung dar und ist aktuell nur durch die diagnostische Bewertung hochqualifizierter Experten möglich.

Prinzipiell unterscheidet man in der diagnostischen MPS zwischen verschiedenen technischen Ansätzen [8]:

• Panelsequenzierung: Anreicherung bestimmter diagnostisch relevanter Gene für eine Krankheitsgruppe, z. B. Epilepsien. Im Mittel um die 150–200 Gene [9].

• Exomsequenzierung: Anreicherung aller DNA-Sequenzen aus dem menschlichen Genom, die genetische Information für proteinkodierende Gene tragen, das entspricht ca. 1% des Genoms (ca. 20000 Gene) [10].

• Genomsequenzierung: Sequenzierung des gesamten Genoms, d. h. auch nicht-proteinkodierender Abschnitte, die klinisch relevante pathogene Varianten tragen können, sowie Nachweis struktureller Chromosomenstörungen.

• NIPT: Bei dem MPS-basierten nicht-invasiven Pränataltest (NIPT) werden zellfreie DNA-Fragmente aus dem mütterlichen Plasma ungerichtet sequenziert. Anhand der erhaltenen Sequenz der sequenzierten Fragmente kann das Fragment mittels bioinformatischer Methoden einem Chromosom zugeordnet werden. Bei Vorliegen einer Trisomie lassen sich signifikant mehr Fragmente des jeweiligen Chromosoms (z. B. das Chromosom 21 bei einer Trisomie 21) nachweisen [11].

Ein Überblick über die verschiedenen humangenetischen Methoden ist in [Tab. 1] dargestellt.

Tab. 1 Vergleich der Methoden der genetischen Pränataldiagnostik.

Methode	Vorteil	Nachteil
* Diese Methoden stellen bisher keine routinemäßigen diagnostischen Verfahren in der molekulargenetischen Pränataldiagnostik dar.
NIPT	nicht-invasiv	begrenzter Untersuchungsumfang (I. d. R. werden nur die Trisomien 13, 18 und 21 und numerische Aberrationen der Chromosomen X und Y detektiert.) Auffällige Ergebnisse müssen durch eine invasive Diagnostik bestätigt werden.
Chromosomenanalyse	etabliertes und kostengünstiges Verfahren zum Nachweis numerischer und struktureller Chromosomenstörungen	kein Nachweis von Sequenzvarianten oder kleineren Chromosomenaberrationen
Einzelgensequenzierung	gezielter Nachweis familiärer Varianten (Segregationsuntersuchung)	sehr begrenzter Untersuchungsumfang
Panel-Diagnostik	klar definierter Untersuchungsumfang entsprechend dem klinischen Phänotyp, dadurch geringes Risiko von unklaren Varianten und Zufallsbefunden	kein Nachweis von ursächlichen Varianten außerhalb des Untersuchungsumfangs Nur für eine begrenzte Anzahl an fetale Phänotypen lässt sich das Set an relevanten Genen eindeutig definieren.
(Trio-)Exomdiagnostik	erfasst alle potenziell relevanten Gene	erhöhtes Risiko von Zufallsbefunden häufiger Nachweis von unklaren Varianten
Mikroarrays	etabliertes Verfahren zum Nachweis pathogener Zugewinne/Verluste (z. B. Mikrodeletions- und -duplikationssyndrome)	Verfahren ist auf den Nachweis von Zugewinnen und Verlusten begrenzt.
Optical Genome Mapping (OGM)*	Nachweis struktureller Chromosomenstörungen (z. B. Inversionen, Translokationen)	hohe Anforderung an die DNA-Qualität hohe Kosten kein Nachweis von Sequenzvarianten
Genomsequenzierung*	Nachweis struktureller Chromosomenstörungen und von Sequenzvarianten	hohe Sequenzierkosten Umgang mit Varianten in nicht kodierenden Genomabschnitten Nachweis von geringgradigen Mosaiken

 

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Die Paneldiagnostik

Bei der Paneldiagnostik werden aus dem Genom des zu untersuchenden Individuums nur eine Reihe von definierten Genen angereichert und auch nur diese sequenziert. Die Vorteile dieser Methode sind vor allem die geringere Sequenzierleistung und der fokussierte Ansatz, bei dem nur Gene analysiert werden, die mit der klinischen Fragestellung in direktem Zusammenhang stehen. Mit Zusatz- oder Zufallsbefunden ist damit nicht zu rechnen.

 

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Die Exomdiagnostik

Bei der Exomdiagnostik werden die für Proteine kodierenden Abschnitte aller ca. 20000 Gene im Genom parallel mittels MPS sequenziert [12]. Mittels bioinformatischer Algorithmen werden dann die Gene, die im Zusammenhang mit der jeweiligen klinischen Fragestellung stehen, aus dem gesamten Datensatz herausgefiltert und bewertet. In der postnatalen Diagnostik hat sich hier die Verwendung der sogenannten Human Phenotype Ontology-Terms (HPO-Terms) bewährt. Die HPO-Terms erlauben die detaillierte Beschreibung des klinischen Phänotyps und die Verknüpfung des Phänotyps mit entsprechenden Genen, für die ein klinischer Zusammenhang mit dem jeweiligen Phänotyp bekannt ist. Diese individuell zugeschnittene Genauswahl erlaubt eine Diagnostik, die dem jeweiligen Krankheitsbild eines Patienten angepasst ist und dem aktuellen Wissensstand entspricht. Inzwischen erlaubt die Qualität der Sequenzdaten in vielen Fällen auch einen zuverlässigen Nachweis von „Copy-Number-Varianten (CNVs)“, also von kleinen Verlusten und Zugewinnen genetischen Materials, vergleichbar zu den Mikroarrayanalysen. Diese hohe Flexibilität der Exomdiagnostik hat dazu geführt, dass in den meisten Laboren die Paneldiagnostik durch die Exomdiagnostik ersetzt wurde. Die besondere Herausforderung der Exomdiagnostik stellt allerdings die große Anzahl an genetischen Varianten dar, die überprüft werden müssen (ca. 15000–40000), ob sie im Zusammenhang mit der Erkrankung des Patienten stehen. Hierfür wurden international gültige Kriterien definiert, die eine einheitliche Klassifizierung und klinische Bewertung von genetischen Varianten ermöglichen [13] [14] [15]. Auch wenn eine solche Variantenklassifizierung durch die Unterstützung bioinformatischer Methoden erfolgt, so ist weiterhin die Expertise spezialisierter wissenschaftlicher und ärztlicher Mitarbeiter*innen unabdingbar, die gemeinsam die genetischen und phänotypischen Informationen im klinischen Kontext bewerten müssen. Hierbei stellen insbesondere die Varianten unklarer Signifikanz (VUS) eine Herausforderung dar. Solche Varianten erlauben primär keine klare Zuordnung, ob sie für die Erkrankung ursächlich sind oder nicht [14]. Dies kann bei ratsuchenden Patienten und anfordernden Ärzt*innen zu Verunsicherungen führen, da sie keine eindeutigen Antworten auf ihre klinischen Fragestellungen bekommen. Es ist somit sehr wichtig, die Patienten schon im Vorfeld einer Exomdiagnostik auf die Möglichkeit von unklaren Befunden hinzuweisen und entsprechend aufzuklären. Da bei der Exomsequenzierung die Sequenzinformationen fast aller bekannten Gene vorliegen, ist es auch möglich, pathogene Varianten in Genen zu finden, die nicht direkt mit dem Krankheitsbild des untersuchten Patienten in Verbindung stehen [16]. Daher muss grundsätzlich vor einer Exomdiagnostik eine Aufklärung gemäß den Anforderungen des Gendiagnostikgesetzes erfolgen [17]. Die vorgeburtliche Hochdurchsatzsequenzierung ist im aktuellen EBM abgebildet.

Eine besondere Form der Exomdiagnostik stellt die sogenannte Trioexomdiagnostik dar. Hierbei werden nicht nur die Exomdaten des betroffenen Patienten/Feten, sondern auch die der nicht betroffenen Eltern analysiert und vergleichend bewertet. Mittels bioinformatischer Algorithmen lassen sich so beispielsweise Neumutationen und elterliche Vererbungsmuster bei autosomal-rezessiven Erkrankungen schnell identifizieren. Das Vorliegen der elterlichen Sequenzinformationen erlaubt außerdem eine bessere Klassifizierung der Varianten, da die Anzahl der Varianten mit unklarer Signifikanz reduziert wird. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Trioexomdiagnostik signifikant mehr Fälle gelöst werden können als durch die Einzelexomanalyse [18].

 

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Der Nutzen und die Herausforderungen der pränatalen Exomdiagnostik

Der diagnostische Nutzen der (Trio-)Exomdiagnostik zum Nachweis genetischer Erkrankungen konnte inzwischen durch zahlreiche internationale Studien gezeigt werden [19] [20]. Hierbei findet insbesondere immer häufiger die Methode der „reversen Phänotypisierung“ Anwendung. In der klassischen Diagnostik dient die genaue klinische Charakterisierung eines Patienten dazu, zu einer klinischen Verdachtsdiagnose und gegebenenfalls weiterer möglicher Differenzialdiagnosen zu kommen, die dann mittels einer genetischen Untersuchung bestätigt oder entkräftet werden. Die Vielzahl seltener genetischer Erkrankungen, die zudem häufig noch eine große klinische Variabilität aufwiesen, führt aber dazu, dass dieser diagnostische Ansatz häufig erfolglos verlief. Bei der „reversen Phänotypisierung“ erfolgt der Ansatz umgekehrt. Man benutzt die genetischen Daten der Exomsequenzierung, um Varianten zu identifizieren, die potenziell zu einer entsprechenden Erkrankung führen. Ergeben sich aufgrund der genetischen Daten eine oder mehrere Verdachtsdiagnosen, so können die klinischen Symptome gezielt überprüft und die assoziierte Erkrankung diagnostiziert werden. Auch in der pränatalen Diagnostik kann die reverse Phänotypisierung zur Aufklärung pränataler Auffälligkeiten führen, hier muss allerdings berücksichtigt werden, dass für viele seltene genetische Erkrankungen nur sehr begrenzte Informationen zum vorgeburtlichen Phänotyp vorliegen. Oftmals kann aber eine gezielte Ultraschalluntersuchung klären, ob bestimmte phänotypische Merkmale nachzuweisen sind, die das Vorliegen einer bestimmten genetischen Erkrankung bestätigen.

Das MPS hat inzwischen einen festen Platz in der pränatalen Diagnostik eingenommen. In einer Stellungnahme der Deutschen Gesellschaft für Humangenetik aus dem Jahr 2023 wird ausdrücklich auf die Durchführung einer Mikroarray- und Panel- bzw. Exomdiagnostik nach Ausschluss der häufigen Trisomien mittels NIPT oder Schnelltest hingewiesen, auch ohne die Durchführung einer Karyotypisierung [2]. International ist die pränatale MPS inzwischen in vielen Ländern Teil der Standarddiagnostik und auch in Leitlinien und Empfehlungen verankert [21] [22] [23] [24].

Das MPS ist aufgrund ihrer größeren Schnelligkeit und ihrer höheren Genauigkeit auch in der pränatalen Diagnostik die Methode der Wahl. Hierbei ist allerdings den Besonderheiten der vorgeburtlichen Situation Rechnung zu tragen:

1. Ultraschalluntersuchungen liefern häufig nur begrenzte phänotypische Informationen.

2. Viele klinische Merkmale werden erst in einer späten Schwangerschaftswoche erkennbar.

3. In der frühen Schwangerschaft sind viele erkennbare Strukturauffälligkeiten unspezifisch und lassen nur sehr begrenzt Rückschlüsse auf das definierte klinische Krankheitsbild zu.

4. Für viele seltene Erkrankungen liegen aktuell noch keine oder nur wenige Informationen über den pränatalen Phänotyp im Verlauf der Schwangerschaft vor.

5. Das diagnostische Labor braucht ein definiertes Vorgehen zum Umgang mit unklaren Varianten, die mit dem fetalen Erkrankungsbild in Verbindung stehen könnten. Hierüber muss auch der aufklärende Arzt*in/Pränatalmediziner*in informiert sein.

Hinzu kommt, dass unklare Befunde zu starkem psychischen Stress führen können, der die Schwangerschaft zusätzlich belastet. Hieraus ergibt sich eine besondere Verantwortung für die Aufklärung der betroffenen Ratsuchenden im Vorfeld der Untersuchung, die entsprechend dem Gendiagnostikgesetz über den Umfang, aber auch über die Limitationen der geplanten Untersuchung aufgeklärt werden müssen. Aber auch das mit der Untersuchung beauftragte Labor muss der besonderen Situation der pränatalen Diagnostik Rechnung tragen. Dies betrifft vor allem die Bearbeitungszeit und den Umgang mit den detektierten Varianten. Es hat sich prinzipiell als sinnvoll erwiesen, nur pathogene und wahrscheinlich pathogene Varianten zu berichten. In Einzelfällen kann das Berichten einer unklaren Variante jedoch gerechtfertigt sein, wenn beispielsweise der fetale Phänotyp eine Ursächlichkeit der detektierten Variante vermuten lässt, oder aber auch, um gezieltere ergänzende Untersuchungen zur Abklärung der Ursächlichkeit zu veranlassen. Als hilfreich hat sich hierbei der Zusammenschluss humangenetischer Labore in der sogenannten Nationalen Allianz Seltener Genetischer Erkrankungen (www.nasge.de) erwiesen, die eine interdisziplinäre Diskussion unklarer genetischer Varianten im Rahmen einer Online-Fallbesprechung innerhalb von 24 Stunden ermöglicht.

 

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Pränatale Trioexomdiagnostik in Schwangerschaften ohne Ultraschallauffälligkeiten

Bei immer mehr Paaren besteht das Bedürfnis nach einer pränatalen genetischen Untersuchung selbst bei einer unauffälligen Schwangerschaft. In Anbetracht der Tatsache, dass zahlreiche genetische Erkrankungen – insbesondere Erkrankungen mit kognitiven Einschränkungen – nicht im Ultraschall erkennbar sind, ist der Wunsch nach einer zusätzlichen Sicherheit verständlich. Mit der Aufnahme des nicht-invasiven Pränataltests (NIPT) in die Regelversorgung findet zudem bereits ein Screeningverfahren zum Ausschluss der häufigsten Aneuploidien bei zahlreichen Schwangerschaften ohne Ultraschallauffälligkeiten Anwendung. Die Trioexomdiagnostik bei Schwangerschaften ohne Ultraschallauffälligkeiten wird daher bereits von einigen Einrichtungen im Rahmen einer individuellen Gesundheitsleistung (IGeL) angeboten. Hierbei ist eine vorhergehende Beratung über den Umfang und die Limitierungen der Untersuchung ebenso unabdingbar wie eine stringente Befundpolitik, die nur gesicherte pathogene genetische Varianten in Genen, die mit schweren kindlichen Erkrankungen assoziiert sind, mitteilt. Eine Mitteilung von unklaren Varianten und von spätmanifestierten Erkrankungen ist nicht vertretbar [25].

 

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Diagnostischer Werte der (Trio-)Exomdiagnostik

Der Mehrwert der Exomdiagnostik zum Nachweis genetischer Ursachen von fetalen Fehlbildungen konnte durch zahlreiche internationale Studien belegt werden [26] [27] [28]. Inzwischen sind auch verschiedene Metastudien veröffentlicht worden, die den Nutzen der pränatalen MPS für verschiedene Fragestellungen belegen. So konnte in einer Metastudie zu pränatalen Hirnauffälligkeiten bei insgesamt 1583 betroffenen Feten eine 32% höhere Aufklärungsrate durch eine Exomsequenzierung im Vergleich zu einer Karyotypisierung und Mikroarrayanalyse erzielt werden [29]. Vergleichbare studienübergreifende Ergebnisse wurden auch in Bezug auf intrauterine Wachstumsretardierung (IUGR), erhöhter Nackentransparenz und Fehlbildungen der Nieren- und des Harntrakts (CAKUT) erzielt [30] [31]

In einer kürzlich veröffentlichten Untersuchung an 500 Schwangerschaften – größtenteils aus Deutschland – mit verschiedenen Ultraschallauffälligkeiten konnte gezeigt werden, dass man in > 30% der Fälle mit einer Exomdiagnostik die Ursache der Auffälligkeiten aufklären konnte [32]. Selbst bei einer erhöhten isolierten Nackentransparenzmessung (NT > 3 mm) wurden überraschend hohe Detektionsraten erzielt, was auch durch eine neue internationale Studie bestätigt werden konnte [33]. Stellten den größten Teil der ursächlichen genetischen Varianten Neumutationen dar (47,1%), so war doch in 41,8% der Fälle eine elterliche Vererbung nachweisbar. Neben der Vererbung von X-chromosomalen Varianten von der asymptomatischen Mutter an den männlichen Fetus sind hier in erster Linie autosomal-rezessive Erkrankungen nachweisbar, bei denen die beiden Eltern unwissend jeweils Anlageträger/Carrier für eine pathogene Variante waren. In einigen Fällen wurden außerdem Erkrankungen mit reduzierter Penetranz gefunden. Hierunter versteht man Erkrankungen, wie z. B. die Holoprosenzephalie, bei denen nicht jeder Merkmalsträger erkrankt, sodass die pathogene Variante von einem nicht betroffenen Elternteil auf den betroffenen Fetus vererbt werden konnte. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die pränatale Exomdiagnostik eine schnelle, effektive und aussagekräftige Methode zur Aufklärung genetischer Ursachen einer fetalen Fehlbildung darstellt [33]. Die Einbindung der pränatalen Exomdiagnostik in den diagnostischen Ablauf ist in [Abb. 1] dargestellt.

Abb. 1 Möglicher diagnostischer Ablauf für eine Hochdurchsatzsequenzierung bei Schwangerschaften mit Ultraschallauffälligkeiten.

 

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Neue Methoden und Ansätze

Der technologische Fortschritt führt dazu, dass in der Humangenetik stetig neue Diagnoseverfahren zur Verfügung stehen, die eine bessere und schnellere Patientenversorgung ermöglichen. Bei jeder neuen Technologie ergibt sich die Herausforderung, wie die Translation aus der forschungsbasierten Anwendung in die Regelversorgung gelingt.

 

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Ethische Aspekte der MPS

Neben den technischen und gesundheitspolitischen bzw. gesundheitsökonomischen Aspekten, die mit der Einführung neuer diagnostischer Möglichkeiten berücksichtigt werden müssen, führt die umfangreiche Erhebung genetischer Daten auch zu einer Reihe von offenen Fragen, die gesellschaftlich adressiert werden müssen. Als Beispiel ist hier die Erhebung genetischer Daten außerhalb der diagnostischen Fragestellung zu nennen. Ein viel zitiertes Beispiel stellt hier der unbeabsichtigte Nachweis einer Brust- bzw. Ovarialkarzinomprädisposition aufgrund des Nachweises einer pathogenen BRCA1 oder -2-Variante dar. Ein solcher Nachweis kann potenziell lebensrettend für die betroffene Person sein, weil es geeignete Präventionsmaßnahmen (engmaschiges Vorsorgeprogramm) gibt [34]. Das Erheben solcher Daten birgt auf der anderen Seite aber auch Risiken, die zu beachten sind. Wie kann beispielsweise eine „genetische Diskriminierung“ z. B. im Versicherungsbereich verhindert werden? Das Gendiagnostikgesetz stellt das Wissen über genetische Konstellationen unter einen besonderen Schutz und betont die informelle Selbstbestimmung der Patienten über ihre genetischen Daten/Befunde [35]. Problematisch ist hierbei vor allem, dass das Gendiagnostikgesetz zu einer Zeit in Kraft getreten ist (2009), als die MPS und damit die massive Erhebung genetischer Daten noch nicht berücksichtigt werden konnten. Hieraus ergeben sich insbesondere bei nicht-einwilligungsfähigen Individuen (wie es z. B. das ungeborene Kind darstellt) besondere Konfliktsituationen, wenn beispielsweise (im Rahmen eines Zusatz- oder Zufallsbefundes einer pränatalen Einzelexomanalyse) eine Brustkrebsprädisposition nachgewiesen wird, eine Mitteilung darüber nicht möglich ist und somit dieses Wissen darüber verloren geht.

Um die verschiedenen ethischen, juristischen und sozialen Herausforderungen der MPS zu adressieren und Handlungsempfehlungen in unklaren Situationen zu geben, sei hier auf die Richtlinien der Gendiagnostikkommission verwiesen [36] [37].

 

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Neue Methoden der genetischen Diagnostik

Zu den neuen Methoden, die derzeit in der humangenetischen Diagnostik Einzug halten, sind aktuell insbesondere die Genomsequenzierung und das sogenannte „Genome Mapping“ zu nennen. Werden bei der oben dargelegten Exomsequenzierung ca. 1–2% des gesamten Genoms sequenziert, so wird mittels Genomsequenzierung das komplette Genom sequenziert. Die Genomsequenzierung erlaubt somit den Nachweis von pathogenen Varianten in Bereichen, die in der Exomdiagnostik nicht abgedeckt sind. Auch ermöglicht die Genomsequenzierung bei Verwendung entsprechender bioinformatischer Methoden den Nachweis struktureller Chromosomenstörungen [38]. In Zukunft wird außerdem auch der Genomanalyse mittels „Long-read sequencing“ eine besondere Rolle zukommen. Bei diesen NGS-basierten Sequenziermethoden können Sequenzinformationen von Genen erhalten werden, die aufgrund ihrer Basenabfolge nicht durch das übliche „Short-read sequencing“ darstellbar sind. Zusätzlich können durch diese Methode Repeaterkrankungen (z. B. das Fragile-X-Syndrom) und Imprintingdefekte, die auf einem aberranten Methylierungsmuster der DNA beruhen, diagnostiziert werden [39].

Problematisch bei der Genomsequenzierung sind die hohen Kosten und die Variantenbewertung, da eine große Zahl an Varianten erhalten wird (> 3 Millionen), für die eine sichere klinische Bewertung aufgrund unzureichender Referenzdaten derzeit nur begrenzt möglich ist. Hier muss vor einer Einbindung in die Regelpatientenversorgung erst eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt werden. Aus diesen Gründen wurde von der Bundesregierung das „Modellvorhaben Genomsequenzierung“ ins Leben gerufen, was außerhalb der humangenetischen Grundversorgung den klinischen Nutzen der Genomsequenzierung und die Schaffung von notwendigen Variantendatenbanken zum Ziel hat. Ein weiteres neues Verfahren, was inzwischen in der humangenetischen Diagnostik Fuß gefasst hat, ist das „Optical Genome Mapping (OGM)“. OGM stellt (mit gewissen Einschränkungen) eine Weiterentwicklung der klassischen Karyotypisierung zur Aufklärung von strukturellen Chromosomenstörungen dar [40]. Die Auflösung der Methode liegt jedoch 10000-fach höher als bei der klassischen lichtmikroskopischen Chromosomenanalyse und ermöglicht damit auch die Detektion von kleinen Strukturvarianten, die bisher nicht nachweisbar waren. Neuere Entwicklungen im Bereich der genetischen Diagnostik an zellfreier fetaler DNA (cffDNA) im Rahmen der NIPT deuten zudem darauf hin, dass in Zukunft auch ein Whole Exome Screening auf monogene Erkrankungen aus dem maternalen Serum möglich sein wird [41].

 

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Zusammenfassung/Ausblick

Der Nachweis von pränatalen Ultraschallauffälligkeiten führt zu einer großen psychischen Belastung bei den betroffenen Eltern. Neben der Sorge um das Kind und der möglichen Angst vor der diagnostischen Punktion stellt das Warten auf das Ergebnis eine große Belastung für die Eltern dar. Der Nachweis einer genetischen Erkrankung bei dem Fetus klärt die Ursache der gefundenen Auffälligkeiten auf, hat aber auch weitreichende Konsequenzen für die betroffenen Paare, die entsprechend dem genetischen Befund eine Entscheidung über den Fortgang der Schwangerschaft treffen müssen. Auch bleibt häufig ein Risiko für künftige Schwangerschaften bestehen. Auf der anderen Seite führt der Nachweis einer Neumutation („de novo“) zu einer sehr geringen Wiederholungswahrscheinlichkeit, was bei zukünftigem Kinderwunsch ebenfalls von zentraler Bedeutung ist.

Die pränatale Exomdiagnostik zeigt eine hohe Aufklärungsrate bei Schwangerschaften mit auffälligem Ultraschallbefund. Der Nachweis einer genetischen Ursache für die Ultraschallauffälligkeiten erlaubt es den betroffenen Ratsuchenden, eine informative und selbstbestimmte Entscheidung über die Fortsetzung der Schwangerschaft zu treffen und eine Risikoabschätzung für künftige Schwangerschaften zu erhalten.

 

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Interessenkonflikt

Die Autorinnen/Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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Publication History

Received: 26 September 2024

Accepted after revision: 25 March 2025

Article published online:
11 July 2025