Хромосомный микроматричный анализ для выявления микроперестроек ДНК

Когда речь заходит о поиске причин задержки развития, врожденных пороков или других сложных состояний, часто возникает необходимость заглянуть глубже в генетический код человека. Хромосомный микроматричный анализ (ХМА), также известный как молекулярное кариотипирование, является одним из наиболее современных и высокоточных методов исследования ДНК, позволяющим выявить мельчайшие изменения в структуре хромосом, которые невозможно обнаружить при стандартном цитогенетическом исследовании. Этот анализ стал настоящим прорывом в диагностике множества наследственных заболеваний, предлагая семьям и врачам беспрецедентную точность и ясность там, где ранее оставались лишь вопросы. Он дает возможность детально изучить весь геном человека, выявляя так называемые микроперестройки ДНК — крошечные "потери" (делеции) или "дополнительные копии" (дупликации) участков хромосом, которые могут быть причиной серьезных нарушений здоровья. Понимание принципов и возможностей хромосомного микроматричного анализа помогает принять информированное решение о необходимости его проведения и интерпретировать полученные результаты.

Что такое хромосомный микроматричный анализ и для чего он нужен

Хромосомный микроматричный анализ — это высокочувствительный молекулярно-генетический метод, который предназначен для обнаружения несбалансированных изменений в количестве ДНК по всему геному человека. В отличие от классического кариотипирования, которое позволяет увидеть только крупные изменения в структуре хромосом под микроскопом, хромосомный микроматричный анализ способен выявлять микроскопические делеции (утраты) и дупликации (удвоения) генетического материала, часто называемые вариациями числа копий (CNV, от английского Copy Number Variations). Эти микроперестройки ДНК могут быть причиной широкого спектра заболеваний, включая синдромы с задержкой психомоторного развития, расстройства аутистического спектра, множественные врожденные пороки развития и идиопатическую умственную отсталость.

Цель хромосомного микроматричного анализа заключается в предоставлении точной диагностической информации для пациентов с подозрением на хромосомные аномалии, когда стандартные методы оказываются неэффективными или недостаточными. Это позволяет врачам установить точный диагноз, определить прогноз для пациента и его семьи, а также предложить адекватное медицинское сопровождение и планирование дальнейших действий, включая генетическое консультирование.

Принцип работы хромосомного микроматричного анализа

Основой хромосомного микроматричного анализа является сравнительная геномная гибридизация (CGH) на микрочипах. Этот метод позволяет одновременно анализировать сотни тысяч или даже миллионы участков генома. Процедура включает несколько ключевых этапов, обеспечивающих высокую точность и детализацию исследования.

Процесс анализа выглядит следующим образом:

• Выделение ДНК: Из образца пациента (обычно кровь) и контрольного образца (здоровый человек с известным нормальным набором хромосом) выделяют ДНК.
• Мечение ДНК: ДНК пациента и контрольную ДНК метят разными флуоресцентными красителями (например, красным и зеленым).
• Гибридизация на микрочипе: Меченые образцы ДНК смешивают и наносят на специальный микрочип. Микрочип содержит тысячи или миллионы крошечных участков, каждый из которых соответствует определенному сегменту человеческого генома. Эти участки ДНК, называемые зондами, связываются с комплементарными последовательностями из образцов пациента и контрольной ДНК.
• Сканирование и анализ: После гибридизации микрочип сканируют лазером. Специальное программное обеспечение измеряет интенсивность флуоресценции от каждого красителя на каждом зонде. Соотношение интенсивности красного и зеленого свечения указывает на наличие избытка или недостатка генетического материала в ДНК пациента по сравнению с контролем. Например, если в каком-то участке хромосомы у пациента есть делеция, интенсивность его флуоресценции будет ниже, чем у контрольного образца, а при дупликации — выше.

Такой подход позволяет буквально "просветить" весь геном и выявить даже очень мелкие изменения, которые могут быть скрыты от традиционных цитогенетических методов.

Какие микроперестройки ДНК выявляет ХМА

Хромосомный микроматричный анализ способен обнаружить широкий спектр генетических изменений, которые являются причиной многих наследственных заболеваний. Этот метод особенно ценен для выявления тех аномалий, которые недостаточно велики для обнаружения при стандартном кариотипировании, но при этом оказывают значительное влияние на развитие и здоровье человека.

Основные типы изменений, которые выявляет ХМА:

Важно отметить, что хромосомный микроматричный анализ не выявляет точковые мутации (изменения одного нуклеотида), сбалансированные хромосомные перестройки (когда количество генетического материала не меняется, но его расположение нарушается) и мозаицизм низкого уровня (когда аномалия присутствует лишь в очень небольшом проценте клеток). Для этих целей применяются другие генетические методы.

Показания к проведению хромосомного микроматричного анализа

Хромосомный микроматричный анализ является ценным диагностическим инструментом, назначаемым в случаях, когда есть подозрение на генетические причины состояния пациента, но стандартные методы цитогенетической диагностики (такие как кариотипирование), не дают окончательного ответа или не способны выявить необходимые изменения. Решение о проведении ХМА всегда принимается врачом-генетиком после тщательной оценки клинической картины и анамнеза.

Основные показания для назначения хромосомного микроматричного анализа включают:

• Задержка психомоторного и речевого развития неясного генеза: Если ребенок отстает в развитии, и другие причины исключены.
• Расстройства аутистического спектра: Для выявления генетических факторов, которые могут способствовать развитию аутизма.
• Множественные врожденные пороки развития: Особенно, если они затрагивают две и более несвязанные системы органов (например, порок сердца и аномалия конечностей).
• Идиопатическая умственная отсталость: Когда причина интеллектуальных нарушений остается неустановленной.
• Дисморфические особенности: Необычные черты лица или строения тела, которые могут указывать на генетический синдром.
• Судорожный синдром или эпилепсия: В случаях, когда они сочетаются с другими аномалиями развития.
• Невынашивание беременности (привычное): Если причину не удается установить с помощью других методов, особенно после анализа плодного материала при предыдущих потерях беременности.
• Внутриутробные аномалии плода: Обнаруженные на УЗИ во время беременности, особенно если стандартный кариотип плода оказался нормальным.
• Синдромы, связанные с микроделециями/микродупликациями: При клиническом подозрении на конкретный синдром, который плохо диагностируется обычным кариотипированием.
• Фенотип, схожий с известными хромосомными синдромами: Даже при нормальном кариотипе.

Выбор хромосомного микроматричного анализа в этих ситуациях обусловлен его высокой разрешающей способностью, которая позволяет "увидеть" те генетические изменения, что остаются незаметными для других методов, и, таким образом, найти причину состояния пациента.

Преимущества ХМА перед традиционным кариотипированием

Хромосомный микроматричный анализ является более современным и информативным методом по сравнению с традиционным цитогенетическим кариотипированием. Эти различия обусловлены принципиально разными подходами к анализу генетического материала и, как следствие, разной разрешающей способностью.

Основные преимущества хромосомного микроматричного анализа:

• Высокая разрешающая способность: ХМА позволяет выявлять изменения размером от десятков тысяч пар оснований, тогда как стандартное кариотипирование обычно ограничено размерами более 5-10 миллионов пар оснований. Это означает, что ХМА способен обнаружить микроделеции и микродупликации, которые являются причиной до 15-20% случаев идиопатической задержки развития и врожденных аномалий, оставаясь невидимыми для кариотипирования.
• Комплексный анализ всего генома: ХМА исследует тысячи или миллионы участков по всему геному одновременно, не требуя предварительного подозрения на конкретный участок хромосомы. Традиционное кариотипирование требует просмотра хромосом под микроскопом и фокусируется на визуально различимых аномалиях.
• Выявление вариаций числа копий (CNV): ХМА специально разработан для обнаружения CNV, которые являются частой причиной генетических нарушений. Кариотипирование может обнаружить только крупные CNV.
• Автоматизация процесса: Значительная часть процесса ХМА автоматизирована, что повышает воспроизводимость и объективность результатов по сравнению с субъективной оценкой цитогенетика при кариотипировании.
• Отсутствие необходимости в культивировании клеток: Для ХМА достаточно выделенной ДНК, что сокращает время получения результата и позволяет использовать широкий спектр биоматериалов, не требующих живых клеток (например, парафиновые блоки). Традиционное кариотипирование требует живых, делящихся клеток и их культивирования.

Несмотря на свои преимущества, хромосомный микроматричный анализ не является заменой всех других генетических тестов, так как имеет свои ограничения.

Подготовка к хромосомному микроматричному анализу и процедура забора материала

Подготовка к хромосомному микроматричному анализу, как правило, не требует строгих и специфических мероприятий со стороны пациента. Это один из аспектов, который делает данный метод удобным для применения. Однако есть общие рекомендации, которые помогают обеспечить качество образца для исследования.

Подготовка пациента

В большинстве случаев специальной подготовки, такой как изменение диеты или отмена лекарственных препаратов, не требуется. Если анализ назначается младенцу или маленькому ребенку, важно обеспечить спокойствие и комфорт во время забора крови. Перед процедурой рекомендуется проинформировать врача обо всех принимаемых лекарствах, если они есть, хотя они редко влияют на результаты генетического анализа ДНК. Основное требование — это обеспечить наличие достаточного количества генетического материала хорошего качества.

Забор материала

Для проведения хромосомного микроматричного анализа может быть использован различный биологический материал, в зависимости от клинической ситуации и возраста пациента.

Типичные виды биоматериала:

• Венозная кровь: Наиболее частый и предпочтительный материал для исследования у детей и взрослых. Забор крови производится из вены в стерильную пробирку с антикоагулянтом (обычно ЭДТА).
• Пуповинная кровь: Используется для диагностики у новорожденных, если есть подозрения на генетические аномалии, или если обычный забор венозной крови затруднен.
• Амниотическая жидкость: Получается при амниоцентезе (процедура, выполняемая во время беременности для диагностики состояния плода).
• Ворсины хориона: Образец ткани плаценты, получаемый при биопсии хориона (также во время беременности).
• Материал плода (при прерывании беременности или выкидыше): Используется для выяснения генетической причины потери беременности.
• Биоптаты тканей: В некоторых случаях могут быть использованы другие ткани, но это менее распространено.

После забора материал немедленно отправляется в лабораторию для выделения ДНК и последующего анализа. Очень важно соблюдать условия хранения и транспортировки образцов, чтобы сохранить целостность ДНК и получить достоверные результаты.

Интерпретация результатов хромосомного микроматричного анализа

Получение результатов хромосомного микроматричного анализа — это ключевой этап, который часто вызывает наибольшее волнение у пациентов и их семей. Интерпретация данных требует высокой квалификации и опыта врача-генетика, поскольку результаты могут быть сложными и не всегда однозначными.

Что могут показать результаты ХМА

Результаты хромосомного микроматричного анализа обычно подразделяются на три основные категории:

1. Патогенные изменения: Это генетические изменения (делеции или дупликации), которые, как известно, вызывают заболевание или значительный риск его развития. Обнаружение такого изменения позволяет установить точный диагноз и часто объясняет клинические симптомы пациента. Примеры включают известные микроделеционные или микродупликационные синдромы.
2. Доброкачественные изменения (нормальные вариации): Это изменения в количестве копий ДНК, которые являются вариантами нормы и не связаны с каким-либо заболеванием. Они встречаются в общей популяции и не оказывают негативного влияния на здоровье. Современные базы данных генетических вариаций помогают отличать патогенные изменения от доброкачественных.
3. Варианты неопределенного клинического значения (VUS, от английского Variants of Uncertain Significance): Эта категория является наиболее сложной для интерпретации. VUS — это изменения, которые ранее не были описаны в базах данных как патогенные или доброкачественные. В таких случаях врачу-генетику может потребоваться дополнительная информация, например, анализ ДНК родителей пациента, чтобы определить, унаследовано ли изменение или возникло de novo (впервые у пациента). Если VUS унаследован от здорового родителя, это обычно указывает на его доброкачественный характер. Если же VUS возник de novo и затрагивает гены, связанные с развитием заболевания, его патогенность более вероятна, но требует дальнейшего изучения и наблюдения.

Важность генетического консультирования

Расшифровка хромосомного микроматричного анализа всегда должна проводиться врачом-генетиком. Специалист не только объяснит суть обнаруженных изменений, но и расскажет о возможных последствиях для здоровья пациента, риске повторения в семье, а также о дальнейших шагах и доступных вариантах ведения. Генетическое консультирование помогает семье справиться с информацией, понять прогноз и принять информированные решения.

Сроки получения результатов

Время ожидания результатов хромосомного микроматричного анализа может варьироваться, но обычно составляет от 2 до 4 недель, в зависимости от лаборатории и сложности анализа. В экстренных случаях, например, при пренатальной диагностике, сроки могут быть сокращены.

Ограничения хромосомного микроматричного анализа

Несмотря на высокую эффективность и широкие возможности, хромосомный микроматричный анализ, как и любой диагностический метод, имеет свои ограничения. Важно понимать, что именно он не может выявить, чтобы не ожидать от него сверхвозможностей и при необходимости использовать дополнительные методы диагностики.

Хромосомный микроматричный анализ не способен обнаружить следующие типы генетических изменений:

• Сбалансированные хромосомные перестройки: К ним относятся сбалансированные транслокации (обмен участками между хромосомами) или инверсии (поворот участка хромосомы на 180 градусов), при которых общее количество генетического материала остается неизменным, и отсутствуют потери или приобретения ДНК. Хотя такие перестройки могут привести к репродуктивным проблемам (например, невынашивание беременности) или рождению детей с несбалансированными аномалиями, сам носитель сбалансированной перестройки обычно здоров. Для их выявления требуется традиционное кариотипирование или FISH-диагностика.
• Точковые мутации: ХМА не предназначен для обнаружения изменений одного нуклеотида в ДНК, которые являются причиной многих моногенных заболеваний (например, муковисцидоз, фенилкетонурия). Для этого используются методы секвенирования ДНК.
• Мозаицизм низкого уровня: Если патологическое изменение присутствует лишь в очень небольшом проценте клеток организма (например, менее 10-20%), хромосомный микроматричный анализ может его не детектировать, так как метод усредняет результаты по всей выборке клеток.
• Полиплоидия: Наличие дополнительных полных наборов хромосом (например, триплоидия – три полных набора вместо двух). ХМА не всегда четко различает полиплоидию от дупликаций всего генома.
• Метилирование ДНК: Некоторые заболевания (например, синдром Ангельмана или Прадера-Вилли) связаны с нарушениями метилирования ДНК, а не с изменениями в ее количестве. ХМА не анализирует эпигенетические модификации.

Понимание этих ограничений помогает врачам и пациентам принимать более обоснованные решения о выборе диагностических тестов и при необходимости комбинировать хромосомный микроматричный анализ с другими генетическими исследованиями для получения максимально полной картины.

Список литературы

1. Бочков Н.П. Клиническая генетика. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. — 592 с.
2. Генетика человека. Национальное руководство. Под ред. Е.К.Гинтера, Р.А.Зинченко, Е.Ю.Захаровой. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. — 1000 с.
3. Miller, D.T., et al. "ACMG Standards and Guidelines for the Interpretation and Reporting of Postnatal Constitutional Copy Number Variants." Genetics in Medicine, vol. 15, no. 11, 2013, pp. 868–76.
4. Shaffer, L.G., et al. "ACMG Standards and Guidelines for the Interpretation and Reporting of Constitutional Microarray Results: Version 2020." Genetics in Medicine, vol. 23, no. 8, 2021, pp. 1400-1414.
5. Васильев С.А., Костюк С.А., Лебедев И.Н. Молекулярно-цитогенетический анализ хромосомных аномалий в клинической практике. — Томск: Изд-во НТЛ, 2013. — 200 с.