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第三代试管婴儿技术(PGD/PGS)是什么?

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查看4969 | 回复0 | 2020-4-28 03:29:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

PGD/PGS在试管婴儿流程中,涉及能否得到健康的宝宝,是大家关注的重点。
本文尝试以一个患者角度,普通高中生能理解的水平,简单介绍一下PGD/PGS。
所有结论、数据来源于国内外专业医学杂志、SCI论文,本人仅从易于理解角度,简化模型,转述而已。
由于能力、精力有限,错误在所难免,欢迎指正、交流。
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概念
胚胎植入前遗传学诊断 ( preimplantation genetic diagnosis,PGD) 技术是指在体外受精过程中,对具有遗传风险患者的胚胎进行植入前活检和遗传学分析,以选择无该检测遗传性疾病的胚胎植入宫腔,从而获得正常胎儿的诊断方法。
胚胎植入前遗传学筛查(preimplantation genetic screening,PGS)与PGD采用的是相同的技术手段,又称“PGD⁃全染色体非整倍体筛查”。
PGS与PGD的关系就像是“酱油和醋”,他们相辅相成,目的都是选择不含致病基因、发育良好的胚胎,提高IVF成功率,最终得到健康宝宝的技术。
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从定义可以看出,要想真正理解PGD/PGS,
必须了解基因、染色体、DNA等概念。
翻开高中生物教材,人教版必修1、2。
DNA,中文名是脱氧核糖核酸,是生物的遗传物质。
一个DNA分子可以分为很多片段,有些片段可以指导合成蛋白质,并且把所携带的遗传信息传递下去。
这种具有遗传效应的DNA片段就是基因,一个DNA上具有多个基因。
DNA分子与蛋白质在一起形成丝状物,这就是染色质,因为可以很容易被染色所以这样叫它。
在细胞分裂的过程中,染色质会螺旋化形成染色体,它们两是同一物质在不同时期的两种形态。
上面这段话,看不懂,很正常。
但请记住并理解下面的例子。
你想要攒一辆自行车,淘宝买了一堆零件,但不知道怎么组装。
你想去图书馆,找一本关于组装自行车的书。
藏有很多书的图书馆,就是染色体。
你找到一本书,其中第51-53页是关于自行车组装的。
这3页书,就是基因。
这本书是用英文写的,英文的26个字母,就是DNA。
简单理解,DNA是英文字母,本身没有意义,组合成单词、句子,才能表达特定的含义。
由英文字母(DNA)写的,包含组装这部车信息的3页纸,就是1个基因。
像这样的292页纸,组成了一本书,一个图书馆有100万本书。
所以一条染色体(图书馆)包含无数个基因(3页书)。
简化一下,请务必记住。
图书馆=染色体,
3页书=1个基因,
26个英文字母=DNA。
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PGD/PGS是怎么做的?优点和缺点分别是什么?
取材和检测手段
胚胎囊胚期活检,是目前主要使用的方法,
使用机械法或激光法取5-10个滋养外胚层细胞。
优点
这种方法对胚胎的发育和种植潜能影响小,
可以获得更多的细胞进行检测,诊断准确性高。
另外因为胚胎培养至囊胚期,本身已完成一次自我选择,所获临床妊娠率高。
缺点
体外培养的胚胎仅有20%~50%能够发育到囊胚期,可检测的胚胎数量不多。
未达到PGD /PGS检测标准,或检测为嵌合体丢弃的胚胎,
移植后也可能获得妊娠,选择上两难。
遗传学分析
目前广泛采用全基因组检测技术(CGH、NGS等)。
比较基因组杂交(comparative genomic hybridization,CGH) 为常用的全基因组拷贝数变异检测技术,
衍生于 CGH 的微阵列 CGH( array CGH, aCGH) 是用正常人的 DNA 作参照,
用不同荧光素标记患者和参照 DNA; 将标记后的 DNA 混合,然后与排列在芯片上的探针进行杂交,
通过比较两者荧光强度的不同来反映整个基因组 DNA 表达状况的变化并进行定量分析。
优点
aCGH可一次检测全部的染色体,检测周期短,检测效率高。
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插播知识点-人的染色体
人类的常染色体是成对存在的。
人的体细胞染色体数目为23对,其中22对为男女所共有,称为常染色体;
另外一对为决定性别的染色体,男女不同,称为性染色体,
男性为XY,女性为XX。
以上说的“aCGH可一次检测全部的染色体”,指检测囊胚细胞中的全部染色体。
每一个囊胚细胞里,都有23对染色体,含有近2.5万个基因,
根据图书馆=染色体,3页书=1个基因的理解,相当于短时间要读非常多的书,
aCGH是一种高效的“读书方式”,可以短时间读完全部书,并且真正读懂。
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缺点
不能检测单倍体、某些多倍体 ( 如69,XXX、92,XXYY等)及平衡易位或倒位。
另外,因为等位基因脱扣和优先扩增等现象的存在,将影响其检测效率。
染色体组
人有23对染色体,若从每一对同源染色体中取出一条,组成一组染色体,共23条,
这样的一组非同源染色体叫做一个染色体组。
为表示方便,假设人体细胞有4对染色体:AaBbCcDd
人的一个染色体组AbCD
人的另一个染色体组aBcd
二倍体、多倍体的定义是依据体细胞中含有的染色组数来确定的,
含有几个染色组就是几倍体,
显然正常人体细胞,是二倍体。
多倍体
多倍体指体细胞中含有三个或以上染色体组的个体,比如,
体细胞:一⑴①二⑵②三⑶③四⑷④
第一个染色体组:一⑵③四
第二个染色体组:⑴二⑶④
第三个染色体组:①②三⑷
单倍体
体细胞中含有1个染色体组的个体,(单倍体概念复杂,这里暂且这样理解)
比如,ABCD
染色体倒位
前面说了,图书馆=染色体,
3页书=1个基因,
26个英文字母=DNA。
所以,染色体是基因的载体(书要存放在图书馆),
基因是具有遗传效应的DNA片段(用英文字母写的,能表达一定意思的句子/段落),
DNA比英文字母更简单,只有4个,A、G、C、T。
正常顺序的CTGT,从右往左倒转过来,错误地变成TGTC,就是染色体倒位。
再比如,中华人民共和国是1949年10月1日成立的。
错误变成“中华人民共和国是1949年 日1月10 成立的”,这就是染色体倒位。
染色体易位
正常的CT应该位于3、4号位(如上一行显示),它错误地跑到其他地方(如下一行显示),就是染色体易位。
我们经常听到两个名字,
罗氏易位
平衡易位
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其后,检测范围更广、准确性和灵敏度更高、成本更低的第 2 代测序技术( next generation sequencing,NGS) 随之诞生。
NGS 最主要的特征是高通量测序,能够检测包括点突变、基因拷贝数变化和基因重组(染色体易位)等在内的多种基因改变。
但样本难以获取、易污染、等位基因脱扣等问题仍是PGD /PGS 应用过程中的主要难点。
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PGD/PGS效果怎么样?
PGS可以明显改善正常卵巢储备的不孕患者、高龄、不明原因流产和反复种植失败患者,体外助孕的胚胎种植率和妊娠率。
但同时需要更多的花费并承担风险。
需要考虑,活检操作对胚胎发育的影响和由于污染、 ADO 及同源重组等问题造成的误判。
最后,随着嵌合体的诊断率提高,对于嵌合体胚胎是否可以移植的问题目前尚无定论。
类似理解
iphone x 截止2018月4月,依然是全球最好的手机,但中国的小米、华为旗舰机型,对普通消费者而言,不比苹果差。
奔驰宝马奥迪特斯拉,大众通用丰田,是全球最好的汽车公司,中国的吉利、长安,哈弗H6、宝骏510、帝豪、比亚迪也不差。
美国宾夕法尼亚大学的医学博士Dr.Sullivan-Pyke,Dr.Anuja Dokras关于PGD/PGS的最新研究报告(PMID: 29428279),2018年2月被SCI收录。
整篇文章回顾了PGD/PGS的发展历程,每种基因测序方式的优势和局限。
介绍了在准确率和适应症方面的研究新方向。
目前,全面的染色体筛查平台(CCS),如阵列比较基因组杂交(aCGH),单核苷酸多态性(SNP)芯片,定量聚合酶链反应(PCR),和新一代测序(NGS),用于植入前基因检测(PGT)。
所以,继PGD/PGS这个名词之后,PGT很快将出现在大家面前。
在这里,我提前跟大家说明,PGT并不是更先进的技术。
只是目前研究方向集中在基因层面,叫植入前genetic testing,那个T就是来源于testing的首字母。
相信大家看了我前面的描述,依然是一头雾水,没有任何实质性收获。
还好,文章的最后,作者给出了明确结论。
目前医学界公认,临床上PGD/PGS能够筛查的疾病名单,主要是单基因疾病。
我做了翻译,中英文对照如下
表1
能够筛查的意思是:
准确率、经济性、风险控制,达到了临床应用的要求。
反过来,其他不能做筛查的疾病,可能是:
1、准确率不稳定,您可以设想:一个医生做手术的成功率,一会儿98%,一会儿20%,那么他显然是不能给病人做手术的。
2、经济性,设想有的疾病做基因筛查,需要等2年出结果,费用20万美金,还不一定准确,这种情况显然也不能临床应用。
3、风险,各种未知及不可控的因素,在没有把握的情况下,都不会应用于临床。
再次强调,PGS的适应症是
夫妻双方没有明确遗传病及家族遗传史,针对女方高龄、不明原因流产、反复种植失败、男性不孕不育等情况。
PGD的适应症是:
父母双方确定有某种遗传病,或者家族有某种遗传病,或者得某种病的可能性比普通人大。
1、如果这种疾病在(表1)中,那么大概率是可以筛查,让您获得健康宝宝(也不含该致病基因)。
好莱坞影星安吉丽娜-茱莉,遗传了突变的BRCA1基因,因此患乳腺癌和卵巢癌的几率远高于正常人。
2013年5月她接受了预防性的乳房切除术,以降低患癌风险,远期可能还要切除卵巢和输卵管。
而PGD/PGS能够较好的筛查这种突变,其家族子代可能不需要像她那样,在胚胎阶段就阻断这种突变基因的遗传,彻底摆脱患病的困扰。
2、如果这种病不在上述表格中,但明确是由单基因因素导致,或者明确是常染色体显性或者隐性遗传导致。
或者我说的这些您完全不明白,就想知道xx病,会不会遗传,能不能筛查?
那么,您应该咨询治疗该疾病的专科医生,同时咨询当地的具有遗传学筛查资质的生殖医院。
这里,假设我家族成员有得先天性心脏病的
首先,带家人外科就诊,确定具体疾病,询问是否由遗传因素导致,是否会遗传给下一代,能否给出生育建议。
具体疾病还是应该咨询医生,您需要详细摸清家族成员患病或疑似携带的情况,医生会帮您计算子代遗传概率,以便做出不同的生育对策,最大可能减少婴儿患病概率。
在看过遗传门诊之后
如果医生判断遗传风险高,且患病后严重影响生活质量,医学上不宜生育。
但您一定要生,那我们只能想其他办法。
如果医生判断遗传风险很低,那您就放心生,不要考虑太多。
最难的一种情况是,医生说有遗传风险,高低不好说。
特别是第一个孩子已经出问题,迫切希望第二个孩子能好的父母。
像唇腭裂、银屑病这种,发病原因依然不清楚,主流观点认为可能与遗传因素关联较大。
以银屑病为例,相关研究发现了多达70个点位的基因关联,青少年和成人的突变情况又不同。
我们中国人非常看重基因传承,而且希望自己的孩子能100%健康,别说患病,携带都不行。现在科技那么发达,出多少钱都可以,就没有100%的办法吗?
我们经常被这样的问题困扰,确实难以解释。
如果不是研究这个领域的,包括很多其他科医生在内,对基因、染色体这些概念,还停留在高中阶段。
在我的学生时代,高中课本就讲了。
人类基因组计划是由美国1985年率先提出,1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想,在2005年,要把人体内约2.5万个基因的密码全部解开,同时绘制出人类基因的图谱,揭开人体组成的终极秘密。
有点印象了对吗,这么厉害,20年过去了,怎么还没有攻克所有疾病呢?
事实远远不像解题那么简单。
高中生物概率题
基因图谱是画出来了,离全面攻克遗传病还差了十万八千里。
难点到底在哪?我们来看个例子
原发性Cardiomyopathy(CMP)是一种儿童罕见遗传病,每十万名儿童中发病率约为1.13-1.24人。
有几种表型亚型包括肥厚型心肌病(HCM),扩张型心肌病(DCM)等。通过现有的基因检测技术, 在有家族遗传史的人群中,确定了约1000个与HCM相关的独特变异基因,并表现出不同的性状和可变外显率。
多伦多儿童医院发表的最新研究报告
目前能检测的部分只覆盖了所有潜在的CMP致因基因的一个子集。
全基因组测序已被应用于鉴别DCM患者的罕见致病变种,他们对11名患者中的9人进行了检测,虽然获得更高的检出率,但其临床结果也严重依赖于对致病性变异的能力的准确分类,并不能产生令人满意的临床效果。
统计数据
2009年 Wilton等报道 2538个经 PCR方法诊断的 PGD 周期中有 12 个周期发生误诊,误诊率0.5%。
误诊原因分析
12个误诊周期中分别有 1例脊肌萎缩症和 1例肌张力不全可能由于污染导致误诊, 1 例β-地中海贫血由于管标记错误而误诊, 1例性别选择和 1例β-地中海贫血发生 ADO误诊。
进行性别选择的周期还可能由于选择的 Y染色体引物序列错误导致扩增失败而误诊。
另外,还有 2个周期误诊的原因是家系分析错误, 选择了错误的 STR进行诊断。
其他周期未能找到明确导致误诊的原因。
最新数据
2014 年 ESHRE PGD 联盟对来自 6 个 PGD 中心的 940个单基因病 PGD周期中未移植胚胎重新进行诊断, 通过对比原始的 PGD诊断结果, 计算出以 PCR技术为主的 PGD的准确度、 敏感度 (真阳性率)和特异度(真阴性率)分别为 93.7%、 99.2%和80.9%。
59个误诊胚胎中 54个假阳性, 5个假阴性。假阳性减少了可移植胚胎数, 其主要原因有胚胎嵌合型、 ADO 和污染, 其中胚胎嵌合型占53.7%, ADO 占 31.5%。
5 个假阴性会直接造成漏诊, 分析原因均为胚胎嵌合型导致的。
分析
活检 2个细胞显著提高诊断准确性, 多重 PCR 显著提高诊断敏感性。
胚胎的形态不影响诊断的准确性, 但形态好的胚胎诊断的敏感性更高。
另外, 在单细胞进行多重 PCR 可以获得与2个细胞相等的假阴性率。
总结
单细胞水平的单基因疾病诊断技术虽然日趋成熟, 但仍需格外谨慎和严格。
任何微小的改变, 如裂解液的配伍、 试剂批号和新仪器等都可能对诊断有影响。
展望
近年来, 高通量技术开始在单基因病 PGD 中崭露头角, 如核型定位(karyomapping)和二代测序技术。通过海量的 SNP 数据分析, 新技术将给单基因病 PGD 带来革命性的变化, 极大降低由于污染和 ADO导致的误诊。
另外, 囊胚活检后增加细胞数, 也可降低嵌合型造成的相关问题。
但 PGD基于极低样本量的本质不会改变, 囊胚嵌合型仍会影响诊断的准确率。
在普通人的眼里,基因检测对于疾病诊断就像,带着一颗原子弹穿越到古代打仗的士兵,往敌阵一丢,敌人瞬间倒下。
在基因层面,对一种疾病诊断,要准确率和经济性达到临床要求,其难度不亚于研发一种新药攻克某种疾病。
目前已知遗传病超过7000种,全世界的临床医生和科研人员,正帮大家一颗一颗排除,每一次的胜利都是人类前进的一小步。
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下面主要介绍PGD/PGS在国内外的现状、展望,及一些临床应用实例,大家粗略浏览就好,
在文末给出了就医建议。
PGD/PGS的概念 国内外发展 适应人群
胚胎植入前遗传学检测主要包括胚胎植入前遗传学诊断(PGD)和筛查(PGS)
是指在人工辅助生殖过程中,对胚胎进行种植前活检和遗传学分析,以选择无遗传学疾病的胚胎植入子宫,从而获得正常胎儿的诊断/筛查方法。
这 2 种技术建立在体外受精-胚胎移植(IVF -ET)基础之上,可直接筛除有问题的、不健康的胚胎,挑选正常的胚胎植入子宫,可阻断致病基因的纵向传递, 降低反复流产率,提高患者的临床妊娠率,避免因引产给孕母带来的身心创伤。
简单理解,取男方的精子,女方的卵子,在体外受精形成几个胚胎,把不好的去掉,挑选正常的胚胎植入子宫,再怀孕直到生出小孩。
早在 1960 年 代 ,Edwards 就提出了PGD的设想,一 直 到 1990 年 Handyside 团队才成功地进行了 PGD,标志着 其应用于辅助生殖临床的开始。
PGD发展至今,其诊断的疾病种类也在逐渐增加,从最初对单基因遗传病的诊断到染色体异常、人类肿瘤易感基因的分析、线粒体病、人类白细胞抗原(HLA)配型胚胎的检测等。
PGS 又称“PGD -非整倍体筛查”,是指运用PGD 相同的技术手段检测早期胚胎染色体数目和结构, Munné 等 在 1993 年第一次报道了对胚胎进行 PGS。
研究发现,随着女性年龄的增长,胚胎染色体异常的发生率逐年增高,胚胎中的染色体异常是 造 成 IVF 反复失败和早期流产的重要原因。
因此,PGS 主要针对的人群为女方高龄、不明原因反复流产、IVF 反复失败以及男性导致的不孕不育等。
PGD/PGS的技术迭代
首例成功诞生的经 PGD的试管婴儿采用的是 PCR 技术,该技术主要用于性别和单基因病的诊断,缺点是存在一定的等位基因脱扣发生率。
荧光原位杂交(fish)作为最初 PGD/PGS 标准技术用于染色体检测,此方法简单快速,缺点是分辨率和准确率低。
随后,比较基因组杂交(CGH)技术出现,其优点是可以分析全部染色体,缺点是分析时间长,不能检测出多倍体,也不能检出平衡的、复杂的染色体畸变。
其后,单核苷酸多态性(SNP)芯片技术可检测全部染色体非整倍体和部分单基因遗传病,缺点是耗时过长,且成本高、数据分析困难。
总体来说,CGH 和 SNP的在一定程度上改善了不孕夫妇的临床结局,但又有各自的局限。
但,我们不会停止前进的脚步。
单细胞全基因组扩增技术(NGS)是单细胞水平上对基因组进行测序的利器 ,学者们开始考虑 将 NGS 应用于 PGD/PGS。
NGS的实现依赖于WGA技术的进步,好比手机改变了我们的生活,手机性能的提升依赖于CPU、内存、闪存、电池性能的进步。
WGA 技术发展至今分为多种子类型,临床上较为常用的是 2种单细胞WGA 技 术,MDA 和MALBAC。
MDA在 2002 年首次被报道,部分程度上解决了扩增偏向的问 题,实 现 了比 PCR 更均一的扩增。
2012 年,哈佛大学谢晓亮在《Science》上发表了,单细胞全基因组扩增新技术 MALBAC,即多次退火环状循环扩增技术。使得检测单细胞中较小的 DNA 序列变异变得更容易,分辨率提高,可以检测单基因突变,以及同时检测多个基因。缺点是偶然地假阳性结果的出现。
2014 年 9 月,世界上首例经 MALBAC 基因组扩增高通量测序,进行单基因遗传病筛查的试管婴儿
对 于 MDA 和MALBAC 技术的优劣,业界还没有统一的定论。
NGS 在PGD/PGS 中的应用
目前,NGS 技术具有数据准确度更高、实验重复性更好等优势,且随着其价格不断下降,其在 PGD/PGS 方面已经有了一定的应用,也是被认可的技术,只是方法学上仍在不断改进。
单细胞全基因组扩增技术的不断进步,使得单基因遗传病和染色体病可以同时进行诊断,这对一个胚胎的筛选有了相对更为精准的结果,进而提高筛选后再植入的成功率。
近几年,利用低通量全基因组测序以及针对致病基因进行目标区域靶向捕获的 NGS 应用于 PGD/PGS 的成功案例报道逐渐增多。
Treff等运用NGS对多种单基因病如囊性纤维化、沃克华宝综合症等进行 PGD,检测结果与传统方法相比可靠性达到 100%;
到目前为止,NGS 应用于胚胎植入前非整倍体改变筛查中的价值已得到证实。这些成功案例均表明 NGS 技术应用于 PGD/PGS 已经比较成熟。
但同时 NGS 在PGD/PGS 中的应用还受到一定限制,例如暂时还不具备检测嵌合型的胚胎、单亲二倍体以及检测分辨率有限等,有待于测序技术的进一步完善,或者联合其他技术手段达到最佳的诊断。
展望
一直以来,PGD/PGS 活检的遗传物质都存在着争议。
极体活检被认为仅能反映母方的遗传信息且影响诊断效率。此外,PGD/PGS 是通过侵入性操作获得诊断结果,其对子代的影响还需要长期大样本的随访。
因此,研发一种安全又有效的筛查技术十分必要
无创 PGS/PGD 技术的出现,将彻底解决因为胚胎活检存在的安全争议,也意味着在不久的将来,可以更好的服务于临床。
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试管婴儿就诊
正确的就医顺序是,先在当地医院初诊,再去大型区域生殖中心,或者考虑国外。

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