анеуплоидный эмбрион что это значит
Анеуплоидия: у женщин в возрасте высокие шансы родить ребенка с паталогией
» data-image-caption=»» data-medium-file=»https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?fit=450%2C300&ssl=1″ data-large-file=»https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?fit=825%2C550&ssl=1″ />
Анеуплоидия — генетический сбой, при котором клетки содержат не кратное гаплоидному набору (более или менее 46) число хромосом. Сюда, например, относится синдром Дауна. Ученые узнали, почему у женщин в возрасте больше шансов родить ребенка с анеуплодией.
» data-image-caption=»» data-medium-file=»https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?fit=450%2C300&ssl=1″ data-large-file=»https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?fit=825%2C550&ssl=1″ loading=»lazy» src=»https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?resize=892%2C595″ alt=»анеуплодия» width=»892″ height=»595″ srcset=»https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?w=892&ssl=1 892w, https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?resize=450%2C300&ssl=1 450w, https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?resize=825%2C550&ssl=1 825w, https://i1.wp.com/medcentr-diana-spb.ru/wp-content/uploads/2017/08/aneuplodiya.jpg?resize=768%2C512&ssl=1 768w» sizes=»(max-width: 892px) 100vw, 892px» data-recalc-dims=»1″ />
За последнее столетие достижения медицины улучшили качество и продолжительность жизни человека, но продолжительность детородного периода у женщин остается неизменной. Ученые знают, что запас ооцитов ограничен и формируется до рождения, а качество половых клеток постепенно снижается с возрастом, что приводит к сложностям с зачатием и увеличению связанных с возрастом анеуплоидий.
Ученые выяснили, почему у возрастных пар чаще рождаются дети с генетическими патологиями. Обзор исследований был опубликован в научном журнале “Тенденции в клеточной биологии».
Человеческие хромосомы «слабее»
«За день до овуляции, ооциты (женские половые клетки) начинают делиться. В идеале зрелые яйцеклетки. содержат полный набор из 23 хромосом, но этот процесс может проходить с ошибками, особенно в половых клетках людей в возрасте. Результат неправильного числа хромосом — генетические нарушения, такие как синдром Дауна, и выкидыши. Начиная исследования, мы хотели понять, что контролирует сегрегацию хромосом, когда яйцеклетка развивается, и где происходят сбои, приводящие к неправильному числу хромосом», — говорит Мелина Шух, директор департамента мейоза института биофизической химии в Германии.
Человеческие ооциты содержат пакет ДНК матери в 46 хромосомах. Когда они делятся (процесс называется мейоз) — все 46 хромосом собираются вдоль средней линии ооцита и вытягиваются в двух направлениях, после этого происходит ряд метаморфоз результат которых — яйцеклетка с 23 хромосомами. Ученые анализировали мейоз в животных и человеческих клетках, в результате чего выяснилось, что по сравнению с животными яйцеклетками, человеческие ооциты не могут в полной мере контролировать правильность распределения и прикрепления хромосом до сегрегации, так, как это происходит у животных. Это приводит к появлению яйцеклеток, которые получили слишком мало или слишком много (22 или 24) хромосомы — состояние, известное как анеуплоидия. Т.е. получается, что анеуплодия — это ошибка, сбой в программе, а не целенаправленный процесс.
Исследователи также обнаружили, что связи человеческих хромосом часто нестабильны, поэтому они могут перестраиваться во время мейоза, который может длиться целый день, что значительно больше, чем у других млекопитающих.
Чем старше женщина, тем выше шанс генетических патологий
Исследованию подверглись половые клетки женщин разных возрастов. Подтвердилось, что у женщин от 35 лет риск генетических изменений у плода всегда выше. Возрастные причины анеуплоидии в большей степени связаны с ухудшением структуры хромосом. «Мы обнаружили, что у женщин в возрасте хромосомы могут изменяться еще до мейза, что связано с ослаблением их структуры, кроме этого, с возрастом разрушаются и участки, где образуются новые связи (кинетохоры), что приводит к ошибкам сегрегации хромосом», — говорят специалисты. Они подтверждают, что посещение генетика для возрастных пар — мероприятие не для галочки.
Как бороться с анеуплодием: пренатальная диагностика, ЭКО, тест Принетекс
На данный момент не существует способа терапевтического лечения яйцеклеток с хромосомными аномалиями, ученые доказали, что это у многих женщин это возрастное явление. Да и нужно ли насильственным путем перестраивать хромосомы — вопрос спорный. Но это не значит, что женщина в возрасте должна отказаться от беременности. Современная медицина предлагает сразу несколько методов выявления хромосомных патологий у плода. Плюс можно забеременеть с помощью вспомогательных репродуктивных технологий, в том числе и использующих донорские половые клетки.
Что касается тестов, то врачи рекомендуют беременным женщинам проходить скрининги, достоверно определяющие, есть ли у плода такие нарушения. Первичный этап — неинвазивные методы диагностики беременных — УЗИ и анализы венозной крови ( пренатальный скрининг ), которые могут выявлять определенные параметры, свойственные анеуплоидии.
Если такие риски обнаружены, женщины могут обратиться для прохождения инвазивной диагностики (в этом случае проводится биопсия). Также можно сделать тест Пренетикс (ДНК ребенка выделяется из материнской крови).
Отдельно стоит рассказать про тест Prenetix. Этот инновационный метод считается лучшим для выявления анеуплодий, так как он использует в качестве материала для исследования венозную кровь будущей мамы, взятую обычным способом. Беременной женщине не нужно терпеть неприятные ощущения, связанные с биопсией и другими манипуляциями. Пройти тестирование можно в 10 недель беременности. Точность теста Пренетикс превышает 99%, но стоит он очень дорого.
Что касается ЭКО, то здесь вопрос возрастных анеуплодий решается с помощью преимплантационной генетической диагностики (ПГД). Генетический анализ исключает подсадку эмбрионов с генетическими нарушениями.
«Конечно, для многих пар ЭКО — эмоционально сложная задача, но все-таки сегодня именно ВРТ реальный выход из ситуации», — говорит ученый Мелина Шух. — «Также я хочу добавить, что в нашем исследовании есть положительный аспект. Мы узнали, что у многих женщин в возрасте «за 40» все-таки остаются яйцеклетки без каких-либо отклонений».
Где делают пренатальную диагностику на анеуплодии в Санкт-Петербурге
Сдать генетические анализы и пройти пренатальное обследование при беременности можно в СПБ в специализированной клинике Диана. Здесь выполняются все виды анализов и УЗИ. Скрининги беременных проводятся на новейшем аппарате экспертного уровня в форматах 3Д и 4Д. Диск выдается на руки. Расшифровку проводит врач высшей категории. К генетическим анализам прикладывается заключение генетика.
Неудачи ЭКО: эмбриологический этап
Эффективность ЭКО в многом зависит от того, как протекает эмбриологический этап: от качества полученных женских и мужских половых клеток, от того, как произошло оплодотворение яйцеклеток, а потом как происходит развитие эмбрионов при культивировании. На каждом этапе может произойти сбой, который явится причиной неудачи ЭКО. Рассмотрим основные моменты.
У пациенток младше 35 лет, довольно редко, но также возможно получение яйцеклеток низкого качества. В таких ситуациях крайне сложно ответить на вопрос, с чем может быть это связано, но, как правило, с генетикой, с гормональной стимуляцией, эндометриозом, с различными эндокринными нарушениями (особенно часто с ожирением).
Сейчас активно ведутся исследования по изучению данного фактора бесплодия. Но, к сожалению, пока они не завершены и не имеют практического значения.
В случае установления ооцитарного фактора (а понять это возможно только при получении ооцитов при пункции фолликулов) предлагается замена протокола гормональной стимуляции, переход на ЭКО в естественном цикле. При неэффективности этих схем, переход на ЭКО с донорскими ооцитами.
Плохое качество сперматозоидов не так прямо связано с возрастом мужчины, больше с различными внутренними и внешними неблагоприятными факторами, но также может быть причиной неудач ЭКО.
2. Неправильное оплодотворение
Пронуклеусы в оплодотворённой яйцеклетке становятся видны через 12-14 ч после проникновения в неё сперматозоида. Через 19-22 часа пронуклеусы исчезают и формируется метафазная пластинка, а ещё через 3-4 часа начинается деление зиготы.
Встречаются следующие патологии формирования пронуклеусов:
— * оплодотворении одной яйцеклетки 2-мя сперматозоидами;
— * формирование 3-го пронуклеуса из материала невыделившегося второго полярного тельца;
— * формирование 3-го пронуклеуса путём аномального формирования ядерной мембраны ;
— реже встречаются >3 pn.
ИКСИ (введение одного сперматозоида в цитоплазму яйцеклетки) не гарантирует правильного оплодотворения. Это объясняется главным образом сохранением второго полярного тела во время второго мейотического деления ооцита. Но 3 pn при этом варианте оплодотворения встречается реже, по разным данным
В неправильном оплодотворении могут играть роль следующие факторы:
— повышенные уровни эстрогенов в стимулированном цикле;
— продолжительность гормональной стимуляции;
— качество ооцита («гигантские» ооциты предрасположены к неправильному оплодотворению);
— поздний репродуктивный возраст женщины (по данным американских учёных H. J. Kang, Z. Rosenwaks частота оплодотворения и 3 pn достоверно выше у пациенток после 39 лет, несмотря на метод оплодотворения)
3. Остановка развития эмбрионов после правильного оплодотворения
В современных эмбриологических лабораториях процесс культивирования эмбрионов отработан до мелочей и тщательно соблюдается: индивидуальное культивирование эмбриона в планшетных инкубаторах; постоянный многоуровневый контроль условий культивирования; своевременная смена питательных сред, если культивирование происходит в двухступенчатых средах.
Поэтому при стабильных условиях культивирования, причину плохого развития остается искать только в качестве самого материала.
На остановку эмбриогенеза влияет качество как самих яйцеклеток, так и качество сперматозоидов.
Как правило, основное влияние на ход эмбриогенеза оказывает возраст родителей. Хотя и в молодом возрасте может наблюдаться снижение качества яйцеклеток, например, при эндометриозе, неясном генезе бесплодия. Причиной могут быть аномалии в хромосомном наборе самих родителей.
Принято считать, что до 3 дня развития эмбрион живет и развивается на материнских запасах, то есть, остановка или ухудшение развития до 3 суток указывает на плохое качество яйцеклетки.
На 3 сутки развития начинает работать сам геном эмбриона. И здесь добавляются факторы, привнесенные в эмбрион сперматозоидом. К сожалению, очень многие отклонения от нормы в качестве сперматозоидов и хроматина внутри них оказывают влияние на развитие эмбриона и могут вызывать анеуплоидии или недостаточность генома эмбриона. Качество конденсации и организации ДНК сперматозоида является важным фактором развития эмбриона, даже при выполнении ИКСИ.
Но есть данные, что некоторое количество материнской мРНК сохраняется до стадии бластоцисты и может также участвовать в остановке развития.
Хромосомные аномалии, несомненно, вызывают большой процент потерь эмбрионов. Генетические факторы регулируют скорость предимплантационного развития эмбриона. Существует тенденция к увеличению количества анеуплоидных эмбрионов с увеличением возраста. Большая часть анеуплоидий летальна для эмбриона на ранних стадиях развития. Но некоторые анеуплоидии не мешают эмбриону стать бластоцистой хорошего качества, например, при трисомии по 21 хромосоме, или синдроме Дауна.
В связи с этим, пациентам позднего репродуктивного возраста рекомендуется проведение предимплантационного генетического скрининга до переноса эмбриона в полость матки.
Кроме того, у пар более молодого возраста, если в нескольких циклах ЭКО при переносе эмбриона хорошего качества на стадии бластоцисты в однородный, достаточной толщины и хорошо кровоснабжающийся эндометрий беременность не наступает, необходимо выполнение предимплантационного генетического скрининга на все хромосомы. И, соответсвенно, переносить в полость матки эмбрион только с полным хромосомным набором.
Анеуплоидии половых хромосом, диагностика
Анеуплиодия — термин, обозначающий группу заболеваний, которые вызваны увеличением или уменьшением количества хромосом в клетках. Это приводит к нарушениям внутриутробного развития, может спровоцировать преждевременный выкидыш или вызывает развитие наследственных синдромов.
Что такое анеуплоидии?
В норме в каждой клетке человеческого организма содержится 46 хромосом: 23 наследуются от матери, столько же — от отца. Если нарушен процесс расхождения хромосом на стадии мейоза или митоза, может развиться анеуплоидия. Если половая клетка, в которой есть лишняя или избыточная хромосома сливается с нормальной гаметой, возникает зигота с нечетным количеством хромосом.
Если хромосом меньше 46, развитие плодного яйца как правило прекращается. Лишние хромосомы позволяют продолжить развитие. Различают аутосомную анеуплоидию и анеуплоидию половых хромосом. Последняя сопровождается более мягкими проявлениями, то есть дети рождаются на свет жизнеспособными.
Причины возникновения
Выделены факторы риска развития анеуплоидии:
Анеуплоидии половых хромосом
Синдром Шерешевского-Тернера (моносомия Х-хромосомы) встречается у одной из двух тысяч новорожденных девочек. Он сопровождается следующими симптомами:
При синдроме Шерешевского-Тернера внутренние половые органы заменены соединительной тканью;
Синдром Кляйнфельтера (трисомия половой Х-хромосомы у мальчиков) встречается с частотой 1:700 новорожденным.
Диагностируется это нарушение только при наступлении полового созревания. Описаны тетрасомии и пентасомии половых Х-хромосом, однако подобные патологии в большинстве случаев приводят к ранним выкидышам.
Симптомы синдрома Кляйнфельтера такие:
Методы диагностики
Выявить анеуплоидию половых хромосом можно при помощи следующих методов:
УЗИ позволяет определить ряд анеуплоидий (синдромы Дауна, Эдвардса, Патау), однако в отношении патологий, вызванных увеличением или уменьшением количества половых хромосом, он не столь эффективен;
Метод считается достаточно точным, однако он может спровоцировать такие осложнения, как подтекание околоплодных вод, инфицирование, выкидыш, отслойка плодных оболочек и т. д.
Этот метод считается одним из самых точных, к тому же, в отличии от биопсии ворсин хориона и амниоцентеза, он не сопряжен с риском выкидыша. НИПТ позволяет выявить хромосомную патологию с точностью 99,9%.
Анеуплоидии половых хромосом вызывают сравнительно мягкую симптоматику. Плод с таким нарушением жизнеспособен, интеллектуальные нарушения могут быть минимальными или отсутствовать вовсе. Тем не менее, важно ранее выявление анеуплоидий: диагностика позволяет родителям принять правильное решение относительно дальнейшей судьбы своей семьи/
Лаборатория Медикал Геномикс рекомендует расширенный неинвазивный пренатальный тест VERAGENE
ООО «Медикал Геномикс» Лицензия № ЛО-69-01-002086 от 06.10.2017
Юр. адрес: г. Тверь, ул. Желябова, 48
ООО «Лаб-Трейдинг», ИНН: 6950225035, ОГРН: 1186952017053, КПП:695001001
Юр. адрес: г. Тверь, ул. 1-Я За Линией Октябрьской Ж/Д, 2, оф. 22
ПГТ хромосомных анеуплоидий
Что такое анеуплоидия?
Анеуплоидия — нарушение числа хромосом в диплоидном наборе, когда в одной из пар гомологичных хромосом (а иногда и в нескольких) появляется лишняя хромосома, либо одна из хромосом исчезает. Эта аномалия известна как наиболее часто встречающаяся у доимплантационных эмбрионов.
Типы анеуплоидий – трисомии (лишняя хромосома), моносомии (отсутствие одной из парных хромосом). Эмбрионы с дефицитом (моносомия) или избытком (трисомия) отдельных хромосом возникают, главным образом, вследствие оплодотворения яйцеклетки с хромосомным дисбалансом.
Анеуплоидии всегда клинически значимы, то есть, так или иначе патологически проявляются. Их проявления могут выражаться в отсутствии имплантации, прерывании беременности, нарушениями эмбриогенеза и рождению ребенка с хромосомной патологией.
При этом:
С возрастом риск возникновения анеуплоидной патологии у женщины существенно возрастает. Так, риск трисомий после 40-ленего возраста женщин имеется у каждой из 63-х, а в 45 лет – уже у каждой из 20.
Таргетные (целевые) исследования всего лишь нескольких хромосом из полного набора у эмбриона не оправдывают себя лишь в том, что они не охватывают остальные хромосомы, не дают полной картины по всем возможным анеуплоидиям.
В нашем центре мы предложим молекулярное кариотипирование эмбриона (исследование набора хромосом эмбриона), включающее исследование на анеуплоидии полного набора хромосом по доступной цене. Это оправдано не только с клинической точки зрения, но и с экономической.
Неинвазивная диагностика анеуплоидий у плода: от идеи к продукту
Неинвазивная диагностика анеуплоидий у плода: от идеи к продукту
Яблоня без яблок бесполезна. Без ствола и ветвей яблоня будет без яблок, то есть бесполезна. Яблоня без корней нежизнеспособна.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Генетические заболевания в разной степени ухудшают качество и продолжительность жизни человека. Иногда их можно и не заметить, если повезет не встретиться с триггером, запускающим каскад поломок в организме. А какие-то генетические нарушения неизбежно приводят к боли, страданиям и смерти. Некоторые из них протекают настолько тяжело, что считаются медицинскими показаниями к искусственному прерыванию беременности. Такие состояния можно детектировать неинвазивно на ранних сроках, что создает основу для этически очень непростого, но осознанного решения родителей о прекращении или продолжении беременности. Число подобных анализов с каждым годом растет, на высококонкурентном рынке соревнуются несколько компаний. В этой заметке рассмотрим способ, применяемый фирмой Natera. При этом важно понимать, что высокотехнологичный коммерческий продукт вырастает из результатов фундаментальных исследований, которые на первый взгляд практической пользы не несут, а лишь удовлетворяют любопытство увлеченных людей.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Академия & Бизнес» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
У всех увлеченных людей есть потребность в удовлетворении своего любопытства. Некоторым из нас везет — это можно делать в рабочее время за счёт денег налогоплательщиков или потребителей. На первый взгляд такой процесс с непредсказуемым результатом может показаться неэффективным расходом ресурсов. Но это не так. Технологические прорывы возникают только тогда, когда кто-то рискует, дает волю своей фантазии и начинает использовать ресурсы неожиданным образом. При этом если результат Его Величества Эксперимента известен заранее, то это уже не эксперимент, а копирование чужой идеи. Замечу, что творческую деятельность сложно выполнять по приказу. «Иванов, до 31 числа жду от тебя пять озарений», — звучит смешно, но реально. Бóльшая часть научных открытий никакой прямой пользу обществу не несет. Фундаментальная наука создает основу для прикладной; конечный результат — статья в рецензируемом научном журнале, то есть идея с зафиксированным приоритетом. Прикладная же наука скорее использует эти статьи в попытке найти им применение; конечный результат — патент, то есть защищенный от копирования вариант использования идеи. Патенты могут быть востребованы бизнесом для создания коммерчески доступных продуктов, которые удовлетворяют нужды потребителей и приумножают вложенный капитал. Получается пирамида «ворох идей → горсть применений → щепотка продуктов». Не идеально, но ничего эффективнее нет — только так идеи становятся коммерчески доступными продуктами [1]. В этой заметке рассмотрим один из успешных примеров, (слегка) изменивших мир.
А в чем проблема?
В 2004 году моя сестра родила сына с синдромом Дауна. Ребенка не стало через шесть дней после рождения. Это был опустошающий опыт для всей нашей семьи. Я основал компанию Natera, потому что верю, что все семьи заслуживают доступа к технологиям, которые предлагают раннее обнаружение генетических заболеваний.
Качество и продолжительность жизни зависит от генетических особенностей индивидуума и давления внешней среды. Некоторые генетические нарушения могут настолько сильно ухудшить физическое, душевное и социальное благополучие человека, что считаются медицинскими показаниями к искусственному прерыванию беременности.
В ядре человеческой клетки в норме 23 пары хромосом. Одну хромосому из каждой такой пары мы получаем от папы, а вторую — от мамы. А потом передаем своим детям 23 хромосомы, скомпонованные из отцовских и материнских хромосом. А второй родитель добавляет другой перемешанный вариант 23 хромосом. В результате встречи двух гамет (сперматозоида и яйцеклетки) может образоваться эмбрион с 23 парами хромосом. Но иногда что-то идет не так, и у нового организма общее число хромосом отличается от 46-и. Такое нарушение называют анеуплоидией (строго говоря, это «некратное увеличение набора хромосом»). В самых тяжелых случаях эмбрион в принципе не будет развиваться, имплантации не произойдет — и женщина даже не заметит признаков не начавшейся беременности [2]. Иногда беременность наступит, но преждевременно прервется — произойдет выкидыш [3]. А при некоторых анеуплоидиях (например, синдроме Дауна) эмбрион разовьется, и беременность может завершиться родами. Часть родителей отказывается от детей с особенностями развития, часть посвящает себя уходу за ребенком. Современные методы позволяют диагностировать анеуплоидии на ранних стадиях развития плода, что, повторюсь, является медицинским показанием к искусственному прерыванию беременности. Результат такого анализа может стать основой для этически очень непростого, но осознанного решения родителей о прекращении или продолжении беременности. Отмечу, что синдром Дауна — далеко не единственный результат анеуплоидий. Также, например, возможно развитие синдромов Эдвардса, Патау и других генетических отклонений от условной нормы.
Как диагностировать анеуплоидии?
Достоверно диагностировать анеуплоидию можно только определив число хромосом в геноме плода. Но как безопасно получить биоматериал? Человеческий эмбрион развивается в амниотической полости. Этот мешок окружен плодными оболочками, внутренняя часть которых называется амнионом. Кстати говоря, в русском языке есть выражение «в рубашке родился». Такой «рубашкой» (рис. 1) называют неразорвавшиеся во время родов плодные оболочки. Эмбрион плавает в околоплодных водах (амниотической жидкости), в которой есть отмершие клетки плода. В результате анализа генома этих клеток можно посчитать число хромосом нового организма.
Рисунок 1. «В рубашке родился»!
Амниотическую жидкость для анализа получают в результате амниоцентеза. Такая инвазивная процедура заключается в проколе амниотической оболочки и заборе околоплодных вод для анализа. Надо отметить, что амниоцентез может провоцировать выкидыши. Вероятность такого неблагополучного исхода беременности составляет примерно 30 случаев на 10 000 процедур [4]. Существуют и другие способы инвазивной пренатальной диагностики с сопоставимыми рисками. При этом в среднем из 10 000 новорожденных 13 появляются на свет с синдромом Дауна [5]. Это значит, что, грубо говоря, инвазивная диагностика скорее приведет к выкидышу, чем выявит анеуплоидии плода.
Как неинвазивно диагностировать анеуплоидии?
В 1969 году в крови беременной женщины обнаружили клетки, содержащие Y-хромосомы [6]. В результате родов на свет появился мальчик. Таким образом, стало понятно, что клетки плода могут находиться в крови беременной женщины. Тем не менее таких клеток мало, что затрудняет разработку рутинных диагностических тестов [7]. Затем в 1997 году фетальную (от лат. fetus — плод) ДНК обнаружили в плазме крови беременных женщин [8]. Отмечу, что плазма — это жидкая бесклеточная фракция крови, в которой взвешены форменные элементы, то есть клетки крови. Таким образом, в результате такой малоинвазивной процедуры, как забор крови беременной женщины, можно исследовать ДНК плода. Тем не менее существующий на начало 2000-х годов уровень развития технологий не предполагал рутинного решения для диагностики анеуплоидий [9].
А причем тут высокопроизводительное секвенирование?
Иногда в результате творчества научных сотрудников и преобразования возникших идей в коммерчески доступный продукт мир меняется. В 2005 году произошла революция. Компания 454 Life Sciences стала продавать первый прибор для высокопроизводительного секвенирования [10]. Этот подход был основан на идее, опубликованной в 1998 году [11]. Затем в конкурентной борьбе технология-пионер проиграла другим методам [12]. Сейчас чаще всего используют секвенаторы производства компаний Illumina и Thermo Fisher Scientific [13]. Эти технологии не идеальны — исходные нуклеиновые кислоты служат матрицей для создания новых фрагментов ДНК. То есть на подготовительном этапе возможны искажения, вклад которых сложно оценить. Иначе говоря, происходит косвенное секвенирование — идентифицируют не исходные последовательности, а производные от исходных. Недавно появились способы прямого секвенирования нуклеиновых кислот — технологии компаний Oxford Nanopore [14] и Pacific Biosciences [13] позволяют секвенировать нуклеиновые кислоты без посредников.
Но всё это не важно. Мир поменялся — стало возможным одновременно секвенировать много нуклеотидных последовательностей, что на несколько порядков удешевило ряд исследований. Например, секвенирование генома человека при помощи метода, описанного в конце 1970-х годов [15], стоило несколько миллиардов долларов в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Сейчас же получение аналогичных данных обойдется в несколько сотен долларов. Неинвазивная диагностика анеуплоидий, по сути, стала возможной благодаря этой технологической революции.
Исследование фетальной ДНК из свободной от клеток фракции крови, то есть плазмы, стало доступным за счет появления методов высокопроизводительного секвенирования. Существуют разные способы выполнения такого анализа. Запатентованный компанией Natera метод вошел в широкую клиническую практику [16]. Для исследования внеклеточную ДНК выделяют из плазмы крови беременной женщины. Затем некоторые фрагменты этой ДНК амплифицируют и секвенируют. Параллельно то же самое делают с геномной ДНК мамы и папы. В результате получают массивы данных высокопроизводительного секвенирования, в которых зашифрована информация о десятках тысяч однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП). Эти большие данные обрабатывают при помощи соответствующего алгоритма [17].
Что такое однонуклеотидный полиморфизм?
В норме нуклеотидные последовательности одного человеческого организма продублированы. Мы получаем 23 хромосомы от мамы и 23 хромосомы от папы. Это значит, что каждая позиция генома существует в двух вариантах, или аллелях. При этом некоторые позиции генома у разных людей не совпадают, то есть полиморфны. А бывает, что и у одного человека на двух аллелях в одной и той же позиции разные нуклеотиды. Если один нуклеотид не совпадает, а окружающие его соседние нуклеотиды совпадают, то это однонуклеотидный полиморфизм (ОНП). Например, у Маши в 231 позиции гена qwerty на обоих аллелях расположен нуклеотид G (дезоксигуанозин-5′-монофосфат). А у Пети в этой же позиции на одной аллели G, а на второй C. Значит, для Маши и Пети эта позиция полиморфна. И для одного Пети, кстати, тоже полиморфна. А теперь представьте, что рассматриваем всю человеческую популяцию — тогда таких ОНП наберется довольно много.
В методе NATERA рассматривают только два самых частых варианта ОНП. Для упрощения обозначим первый вариант ОНП символом «А», а второй — символом «В». Если секвенировать один человеческий организм, то возможно три варианта сочетаний ОНП из двух хромосом: АА, АВ и ВВ. Для каждого ОНП измеряют частоту встречаемости ОНП «А», то есть фракцию «А». Для сочетания АА это значение будет равно 100%, для сочетания АВ — 50%, а для сочетания ВВ — 0%. Теперь усложним задачу — пусть в образце есть ДНК из двух разных организмов. Тогда, если в обоих организмах ОНП присутствует в одинаковом варианте АА, то частота А составит 100%. Но возможна и такая ситуация, что в одном организме есть сочетание АА (на двух хромосомах одинаковый ОНП — «А»), а в другом — АВ (на одной хромосоме ОНП «А», а на второй — «В»). Тогда общая фракция «А» будет меньше 100%. Это значение зависит от соотношения между количеством ДНК разных организмов в образце. Если материнской ДНК 99%, а фетальной — 1%, то разница будет незаметна для человеческого глаза. А если материнской ДНК 50%, и фетальной ДНК тоже 50%, то частота «А» в смеси составит 75%. И так далее — возможны разные сочетания вариантов АА, АВ, ВВ из двух разных организмов. Подобную ситуацию можно проиллюстрировать графиком (рис. 2 и 3). Исследуемые ОНП располагают по абсциссе согласно месту локализации в геноме, фракции «А» для каждого ОНП откладывают по ординате. Если оба организма содержат нормальное число хромосом, то получится что-то подобное рисунку 2. Вклад фетальной ДНК приводит к распределению точек в отдельные кластеры-отпечатки, которые можно использовать для определения числа копий хромосомы.
Рисунок 2. Визуализация результатов секвенирования внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины. В методе NATERA рассматриваются такие ОНП, для которых возможны два варианта нуклеотидов. Для упрощения первый вариант ОНП обозначают символом «А», а второй — символом «В». Доля фетальной ДНК в образце составила 28,1%. На оси абсцисс расположены все ОНП согласно позиции в хромосоме. Название хромосом указано над графиком. Каждая точка представляет собой один ОНП, где точное положение по оси Y отображает совместную фракцию «А» материнской и фетальной ДНК. Точки красного цвета соответствуют сочетанию вариантов АА у матери на двух хромосомах, синего — сочетанию ВВ, зеленого — сочетанию АВ. В образце следов анеуплоидии нет. Также отсутствуют ОНП, принадлежащие Y-хромосоме, то есть плод — женского пола.
А теперь представим ситуацию, когда одна из хромосом плода продублирована. Тогда получится что-то подобное рисунку 3.
Рисунок 3. Визуализация результатов секвенирования внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины. Доля фетальной ДНК в образце составила 19,2%. Описание этого рисунка аналогично предыдущему.
На рисунке 3 видно, что паттерн распределение частот «А» для ОНП 13-й хромосомы отличается от паттерна распределения фракции «А» для ОНП 18-й, 21-й и Х-хромосомы. Это значит, что у плода есть три 13-е хромосомы. Такое состояние называют синдромом Патау, при котором наблюдают тяжелые врожденные пороки. Следует отметить, что при малой доле фетальной ДНК во внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины паттерны распределения фракции «А» для ОНП разных хромосом неразличимы для человеческого глаза при анеуплоидии у плода. Невидимые глазу искажения распределения фракций «А» можно различить при помощи автоматизированной обработки данных на основе разработанного алгоритма [18]. Таким образом, неинвазивная процедура (забор крови беременной женщины) позволяет выявить анеуплоидии у плода.
А что с коммерциализацией?
Сейчас услугой компании Natera воспользовались более двух миллионов беременных женщин из нескольких десятков стран. Стоимость анализа составляет сотни долларов, что доступно для значимой части целевой аудитории продукта. Число проводимых тестов с каждым годом растет, то есть рынок далек от насыщения. Запатентованная технология неинвазивного выявления анеуплоидий у плода во время беременности — одна из двух основных приносящих доход продуктов компании Natera. За первые три месяца 2020 года общий доход компании составил 94 миллиона долларов, валовая прибыль — 49 миллионов долларов. То есть эта динамично развивающаяся компания удовлетворяет запросы всё большего числа потребителей за счет превращения воздушных идей научных сотрудников в приземленный материальный продукт.
Заключение
Эта заметка — краткая справка по одному из способов неинвазивной диагностики анеуплоидий у плода. Но сколько фундаментальных и прикладных исследований понадобилось, чтобы из идей-фантазий получилось что-то материальное? Много. Знали ли авторы этих работ, что получится в результате? Не знали. Сколько было неудачных попыток превращения идей в коммерческий продукт? Неизвестно. Для успеха скорее необходима плодотворная среда, в которой комфортно сосуществуют фантазеры и жесткие прагматики. Для каких-то работ исход сложно предсказать, нужно включать фантазию и не бояться ошибаться. Но чем четче очертания конечного результата, тем проще привлечь капитал, которым рискуют в надежде приумножить. Сухой расчет необходим для оценки необходимых вложений и вероятных доходов. Чем приземленнее такой расчет, тем меньше рисков потерять привлеченный капитал и тем больше вероятность ситуации Win-Win для всех причастных.