胎儿中枢神经系统畸形的遗传学诊断现状

黄红倩,苏家荪,覃再隆

作者单位:530023 广西 南宁,广西壮族自治区妇幼保健院,广西儿童医院,广西妇产医院,广西出生缺陷预防控制研究所,遗传代谢中心实验室;广西生殖健康与出生缺陷防治重点实验室;广西遗传性疾病精准诊治重点实验室

胎儿中枢神经系统(central nervous system,CNS)畸形是由各种因素(如遗传、环境、药物等)作用于胚胎,使胚胎在发育过程中出现的中枢神经系统畸形,是导致出生缺陷的一个重要原因。CNS畸形发生率仅次于先天性心脏病,在我国胎儿先天性畸形种类中位于第二,约占全部畸形的20%～25%[1],在活产儿中的发病率为0.14%～0.16%[2]。

CNS畸形可分为颅脑神经系统畸形和脑发育异常。颅脑神经系统畸形包括:脊柱裂、脑积水、无脑畸形、露脑畸形等;脑发育异常包括:全前脑、脑发育不良、Dandy-Walker综合征、胼胝体发育不全等[3]。产前超声检测为胎儿CNS畸形的首选检查方法,通常在孕早期(≥11周)对胎儿颅脑神经系统畸形进行筛查[4],利用三维和四维超声可预测胎儿神经功能发育情况[5],磁共振分辨率高,能大幅提高胎儿CNS畸形的诊断率[6-7]。但胎儿CNS畸形的致病机制复杂,环境因素及遗传因素相关性约占40%[8],遗传变异是重要因素之一。因此,CNS畸形胎儿的遗传学研究有助于临床诊断并指导妊娠结局。目前,国内外对于CNS畸形胎儿的遗传学诊断,从细胞水平逐渐发展到分子水平。本文对各检测技术现状进行综述,分析各技术手段在胎儿CNS畸形遗传学病因诊断中的应用价值。

1 胎儿CNS畸形的遗传学检查

1.1 CNS畸形的染色体核型分析

染色体变异是导致CNS畸形的重要因素。核型分析作为检查染色体变异的“金标准”,在国内外为产前诊断的常规项目。核型分析可对整倍体/非整倍、>5 Mb的缺失/重复、平衡性变异(包括平衡易位、倒位和插入易位)、嵌合体等进行诊断。经研究,不同类型的CNS畸形伴发的染色体非整倍体异常有所区别[9],脊柱裂及Dandy-Walker畸形常发生于18-三体综合征患儿,全前脑与13-三体综合征密切相关,脑室增宽、脉络丛囊肿等微小畸形也常发生于21-三体综合征患儿(唐氏儿)。也有学者发现,Dandy-Walker畸形可能与9号、3号、13号染色体异常有一定的关联[10]。

1.2 CNS畸形的染色体微阵列分析检测

近十年来,染色体微阵列分析(chromosome microarray analysis,CMA)技术逐渐成为产前诊断的重要手段,其分辨率高(100 Kb)、特异性高、通量大,可对微缺失/微重复染色体变异进行诊断,目前已经在国内外广泛使用。

有研究表明,使用CMA技术对超声结构异常、核型正常的胎儿进行检测,阳性检出率约为6%[11]。对于脑结构异常胎儿,CMA较核型分析额外增加了6.6%的检出率[12]。有学者报道ECHS1基因引起的脑电图异常、NDE1基因(无脑畸形)、YWHAE基因单倍剂量不足导致脑结构异常、1q21.1微缺失综合征都与脑结构异常有关[13]。另有研究表明,前脑无裂畸形的发生与SHH、ZIC2、SIX3、TGIF基因突变有关[14],纯合子CCDC88C基因突变可能为脑积水产生的原因[15]。

因此,美国于2013年发布了基因芯片的应用指南[16],指出胎儿在生长过程中发生一个或多个超声结构异常时,应首选CMA技术进行产前诊断。我国也于2014年8月发表了CMA技术在产前诊断中应用的专家共识,明确胎儿结构异常是进行CMA检测的适应证,并建议同时进行染色体核型分析[17]。

1.3 CNS畸形的全外显子组测序检测

研究表明,许多单基因疾病在宫内即可导致胎儿出现异常,这些异常可通过超声检查发现,但染色体核型分析和CMA均无异常,使其未得到明确诊断。随着技术的进步和研究的深入,通过全外显子组测序(whole-exome sequencing,WES)可分析绝大部分单基因遗传病的致病变异,为染色体核型及CMA结果正常的结构畸形胎儿额外提高6.2%～80.0%的诊断率[18-20]。由于遗传异质性,具有相同或相似临床表现的疾病,其致病基因却不同,给临床诊断带来较高难度。因此,WES得益于其通量高的特点逐渐被应用于产前诊断[21-22]。目前,已有国外学者对产前超声结构异常胎儿进行大规模的WES分析研究[23],国内也有多家医院对CNS畸形的胎儿进行WES分析,例如广州医科大学第三附属医院通过WES检测确定了胎儿L1CAM、ISPD和GRIN2B基因的致病性和可能致病性变异[24],这些变异在妊娠22～25周时出现CNS异常。综合文献报道,WES分析在中枢神经系统畸形胎儿中的检出率为22.0%～71.7%[24-26]。

2 技术现状及面临的挑战

目前,大多数产前诊断中心已联合染色体核型分析技术与染色体微阵列分析技术对CNS畸形胎儿进行遗传学检测。染色体核型分析技术虽检验周期长、分辨率低(>5 Mb)、形态学检测存在主观判断差异,但其具有检测平衡性变异的特点,并且可直观分析染色体的结构异常,因此仍不能完全被分子技术取代。CMA技术的优点是可在全基因组范围内检测染色体拷贝数变异(copy number variations,CNVs),因其分辨率高(100 Kb)、通量大,在国内外已经成熟运用。根据探针设计原理的不同,可将CMA技术分为两大类:一类是比较基因组杂交(array-based comparative genomic hybridization,aCGH)技术,另一类是单核苷酸多态性微阵列芯片(single nucleotide polymorphism array,SNP array)技术[27]。我院采用SNP array作为基因芯片检测的手段,相比较于aCGH,SNP array的优点是能检测特定的基因型或相关的等位基因,发现近亲血缘、单亲二倍体、三倍体以及嵌合体(>15%)。根据基因组中CNVs的致病程度,可分为致病性、可能致病性、临床意义不明(VOUS)、可能良性和良性CNVs[28]。在中枢神经系统异常的各种类型中,后颅窝畸形(包括Dandy-Walker畸形和小脑发育不良)和前脑无裂畸形在致病性CNVs中的检出率最高。而颅内架构异常的预后较为良好,如临界的脑室扩张、后颅窝增宽、Blake囊肿等疾病,遗传学诊断对其病因的判断起着重要的作用[29]。因此,联合使用核型分析和CMA技术可达到检测范围广、提高阳性检出率的目的,还可以起到双线核对的作用,对嵌合体的诊断更准确。但随着CMA技术的广泛应用,VOUS结果给临床咨询医师带来巨大的挑战,如何对此类患者进行科学合理的遗传学建议,这需要更多的数据积累。

WES是利用序列捕获技术将人基因组的外显子区域DNA捕获并富集后进行高通量测序的基因组分析方法,虽然外显子区域仅占全基因组1%～2%左右,却包含了85%的致病变异[30]。该技术既可检测已知致病基因突变位点,又可发现新的疾病相关基因[33]。在积累了产后WES的丰富经验后,对于核型分析与CMA结果均正常的严重发育异常胎儿,WES运用于一线临床产前诊断技术逐渐成熟。但WES在临床应用过程中存在几个问题:① 产前检查胎儿表型有一定的局限性,表型描述可能不够全面,给数据分析带来较大的困难,如产前样本容易漏诊相关孟德尔遗传病导致的风险[31];② 由于WES的覆盖范围和测序深度有限,不能完全分析到基因的内含子区域,便存在假阴性结果的风险,导致漏诊[32];③ 对于偶然发现和VOUS的变异,在对产前胎儿的处置时会有很大的影响,因此是否对其报告,或怎样的方式报告,实验室应有相应的标准与规定,并充分做好知情同意。

3 遗传咨询

如何对患者进行科学合理的遗传学建议,这需要更多的数据积累。WES的遗传咨询通常比CMA难度更大,由于WES具有更强的专业性,个体差异影响较大,结果解释更为复杂,指导胎儿的医疗决策(如是否继续妊娠、宫内治疗方法的选择、分娩方式、下次妊娠选择等)受主观影响较大,因此需要多学科团队参与,包括遗传咨询师、数据分析人员、影像科医师等专业的团队,建议给患者充分的解释[33],并且了解产前测序的优势及局限性,做好详细地知情告知,医师与患者达成共识。

综上所述,目前对CNS畸形胎儿的诊断,以细胞水平的染色体核型分析、分子水平的CMA、全外显子技术为主,有些医院还会运用这些技术进行辅助诊断,根据不同妊娠情况的临床需求,更准确地进行妊娠指导。分子技术仍然在发展阶段,无论技术上或咨询上还处在积累经验的过程。阶段性的总结与分析可以更好地提高诊断水平,给孕妇提供更准确的诊断意见。