Технологии генетической диагностики

Обновлено: 23.05.2024

Технологии генетической диагностики — это научные методы, используемые для изучения и понимания генов организма.

Генетические технологии быстро совершенствуются. Для копирования сегментов гена или нахождения изменений в генах используются различные методы.

Знаете ли Вы, что.

В обозримом будущем людям может стать доступна возможность получения подробной информации о полном собственном генотипе (уникальная комбинация генов или генетический профиль человека).

Полимеразная цепная реакция (ПЦР)

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это лабораторный метод, посредством которого производят множественные копии гена или сегментов гена, что значительно облегчает исследования генов. Конкретный сегмент дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), например, конкретный ген, может быть скопирован (амплифицирован) в лаборатории. Начав с одной молекулы ДНК, в конце процесса 30-кратного удваивания (всего лишь через несколько часов) получают около миллиарда копий.

Генетические зонды

Для нахождения конкретной части гена (сегмента генной ДНК) или целого гена в отдельной хромосоме используется генетический зонд. Зонды применяются для нахождения нормальных или мутированных сегментов ДНК. Сегмент ДНК, который был клонирован или скопирован, становится меченым зондом после того, как в него встраивается радиоактивный атом или флуоресцентный краситель. Зонд способен отыскивать свой зеркальный сегмент ДНК и связываться с ним. Затем меченый зонд может выявляться с использованием сложных микроскопических и фотографических методов. При использовании генных зондов могут диагностироваться несколько заболеваний до и после рождения. Возможно, что в будущем генные зонды будут использоваться в анализах у людей для одновременного обнаружения многих основных генетических заболеваний.

Олигонуклеотидные матрицы

Олигонуклеотид — это цепь оснований (нуклеотидов). Иногда такие цепи отсутствуют или дублируются в сегментах ДНК. Анализ олигонуклеотидов используется для обнаружения недостающих или дублированных сегментов ДНК в отдельных хромосомах. В анализе нуклеотидов сравнивают ДНК человека с эталоном генотипа (уникальная комбинация генов или генетический профиль человека) с помощью нескольких олигонуклеотидных зондов. Как и при использовании других зондов, к олигонуклеотидным зондам добавляется флуоресцентный краситель. Если сегмент отсутствует, зонды показывают уменьшенное количество флуоресцентного красителя. Если сегмент дублирован или утроен, зонды показывают увеличенное количество флуоресцентного красителя. Такие зонды могут использоваться в анализе полного генотипа.

Микрочипы

Микрочипы — это мощные инструменты, используемые в идентификации мутаций ДНК, фрагментов рибонуклеиновой кислоты (РНК) или белков. На одном чипе можно проанализировать миллионы различных изменений в ДНК с использованием всего лишь одного образца.

Технологии секвенирования следующего поколения

Применение технологий секвенирования следующего поколения позволяет обнаруживать даже меньшие фрагменты генов и ДНК — сначала расщеплением целого генотипа на небольшие сегменты, а затем проведением анализа последовательности ДНК некоторых или всех сегментов. Затем результаты анализируются с использованием мощного компьютера. Могут быть выявлены одиночные или множественные вариации, а также участки, в которых основания отсутствуют или были помещены в неподходящее место. Стоимость данной технологии значительно снизилась и продолжает снижаться. Также продолжают совершенствоваться оборудование и методы расчетов.

Некоторые такие изменения могут помочь врачам в диагностике генетических заболеваний. Методы секвенирования следующего поколения являются настолько чувствительными, что врачи могут обнаруживать ДНК плода в образце крови, взятом у матери, и анализировать эту ДНК на предмет наличия у плода синдрома Дауна. Однако значительный объем информации, получаемый при анализе генотипа, приводит к самым различным проблемам, которые иногда затрудняют понимание и интерпретацию результатов врачами. Несмотря на эти проблемы, эти технологии стали основой генетического анализа.

ПРИМЕЧАНИЕ: Это — пользовательская версия ВРАЧИ: Нажмите здесь, чтобы перейти к профессиональной версии

Авторское право © 2022 Merck & Co., Inc., Rahway, NJ, США и ее аффилированные лица. Все права сохранены.

Технологии генетической диагностики

Технологии генетической диагностики быстро улучшаются. Небольшое количество ДНК может быть амплифицировано с помощью процесса полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая позволяет производить миллионы копий гена или участков гена. РНК может быть амплифицирована путем комбинирования фермента обратной транскриптазы (ОТ) с традиционной ПЦР.

Для поиска конкретных сегментов нормальной или мутированной ДНК могут использоваться генетические зонды. С помощью различных типов зондов можно исследовать широкий диапазон размеров последовательностей ДНК. Известный сегмент ДНК можно клонировать и затем нанести на него флуоресцентную метку (методом флуоресцентной гибридизации in situ - fluorescent in situ hybridization [FISH]); этот сегмент затем соединяется с тестовым образцом. Меченая ДНК связывается с комплементарным ей сегментом ДНК и может быть обнаружена путем измерения количества и типа флуоресценции. Генетические зонды позволяют обнаруживать ряд заболеваний до и после рождения.

Анализ олигонуклеотидов (зонды) представляет собой другой тип зондов, и в настоящее время регулярно используется для идентификации удаленных или дублированных регионов последовательностей ДНК в определенных хромосомах в рамках всего генома. ДНК от пациента сравнивают с референсным геномом, используя множество олигонуклеотидных зондов. Используя такие зонды, можно проверить (скринировать) весь геном.

Микрочипы – это мощные инструменты, которые могут быть использованы для идентификации мутаций ДНК, кусочков РНК или белков. Единственный чип может проверить миллионы различных изменений ДНК, используя только один образец. Микрочипы позволяют проводить скрининг генома с более высоким разрешением, чем анализ олигонуклеотидов.

Технологии секвенирования следующего поколения резко изменили подход к генетической диагностике. Эта технология включает в себя разделение всего генома на небольшие сегменты, секвенирование сегментов и последующую сборку последовательностей с использованием интенсивных вычислительных методов для обеспечения последовательности оснований всего генома или более ограниченных участков, таких как экспрессированная часть генома, известная как экзом. Этот процесс помогает идентифицировать отдельные или множественные вариации нуклеотидов, а также области инсерции или делеции. Стоимость данной технологии резко упала и продолжает падать. Оборудование и вычислительные методы также продолжают совершенствоваться.

Эта революционная и быстро развивающаяся технология переместила значительную часть технических аспектов генетической диагностики в секвенирование следующего поколения и стала основой генетической диагностики. Тем не менее, огромный объем информации, создаваемой путем секвенирования экзома или генома, приводит к множеству интерпретационных проблем, которые усложняют понимание результатов. Несмотря на эти проблемы, данные методы, как представляется, являются технологией будущего.

Медицина будущего: технологии генетической инженерии для создания высокоспецифичных лекарств и инструментов молекулярной диагностики

Повышение качества и продолжительности жизни человека — ключевые приоритеты развитых экономик мира. Для более эффективной профилактики, диагностики и лечения социально значимых заболеваний, а также реабилитации пациентов необходимы технологические прорывы в области биомедицины. Они прежде всего связаны с созданием принципиально новых лекарств, продуктов для клеточной и генной терапии, инструментов высокоспецифичной молекулярной диагностики.

Технологии генетической инженерии — конструирование функционально активных генетических структур, введение их в организм человека, интеграция в геном — позволяют выработать новые, в некоторых случаях уникальные генетические, биохимические и физиологические свойства. Создание новых биофармпрепаратов, культур клеток-продуцентов биологически активных молекул в перспективе обеспечит отечественный рынок доступными инновационными лекарствами и средствами диагностики.

В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены три технологических тренда, с развитием которых уже через 5-7 лет появятся новые разработки в области генно-инженерного конструирования лекарств, перепрограммирования клеток человека и терапевтического применения РНК-интерференции, имеющие перспективы выхода на массовые рынки.

Версия для печати:

Генно-инженерное конструирование лекарств

Для эффективного лечения многих болезней, в первую очередь иммунной природы, требуются точечные воздействия, иногда на уровне отдельных клеток. Создание мишень-ориентированных препаратов, в том числе конъюгированных и ДНК-вакцин, повысит эффективность лечения онкологических, ревматических, инфекционных заболеваний, а также болезней нервной системы.

Первое направление развития тренда связано с применением рекомбинантной ДНК для получения биологических продуктов с заданными терапевтическими свойствами и высокими показателями биодоступности и специфичности действия. В результате появятся новые лекарства, эффективные при заболеваниях, вызванных нарушениями иммунной системы.

Создание диагностических биосенсоров — другое направление использования терапевтических клеточных продуктов и специфических молекулярных фрагментов, получаемых на основе технологий генетической инженерии. Эти решения могут повысить диагностическую ценность портативных тестов, выводимых на рынок медицинских изделий для «домашней медицины».

Эффекты

Снижение заболеваемости и смертности от онкологических, ревматических, аутоиммунных заболеваний.

Развитие персонализированной медицины, основанной на использовании генно-инженерных лекарственных средств и диагностических процедур с высокой степенью индивидуализации к пациенту.

Оценки рынка


может достичь к 2020 году объем мирового рынка биопрепаратов при сохранении среднегодового темпа роста на уровне 13,5%. Он будет развиваться в направлении разработки моноклональных антител, рекомбинантного человеческого инсулина, факторов роста и др. Объем рынка продуктов молекулярной диагностики (онкология, наследственные болезни, инфекционные заболевания и др.) может достичь 8 млрд долларов при среднегодовом темпе роста не менее 9,9%.

Драйверы и барьеры

Возрастающая потребность в эффективных и высокоспецифичных методах профилактики, диагностики и терапии социально значимых заболеваний, развитие биофармтехнологий, постепенно сменяющих традиционные фармацевтические практики с применением химических субстанций, выступают основными драйверами тренда.

Сдерживают его развитие конкуренция с рынком традиционных лекарственных препаратов и вакцин, а также относительно высокая стоимость генно-инженерных лекарственных препаратов.

Международные
публикации
Международные
патентные заявки


Уровень развития
технологии в России

«Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

Перепрограммирование клеток человека

Технологии направленного перепрограммирования стволовых и модификации дифференцированных клеток дают возможность исследовать их свойства, получать клетки с новыми функциональными характеристиками. На этой основе разрабатываются технологии регенеративной медицины, нацеленные на восстановление травмированных или пораженных болезнью тканей и утраченных физиологических функций.

В русле этого тренда активнее всего развиваются следующие технологии: манипуляции геномом клеток разного уровня дифференцировки и использование негеномных средств их перепрограммирования, включая рентгеновское облучение, моделирование процессов регенерации, стресс-индуцированную трансформацию и др.

Эти технологии составляют основу для разработки биомедицинских клеточных продуктов (минимально манипулированные клетки, препараты на базе нуклеиновых кислот и стромально-клеточной фракции), а также продуктов культивирования модифицированных клеток.

Развитие персонализированной медицины.

Более эффективное лечение сердечно-сосудистых заболеваний и болезней нервной системы, ожогов и др.; сокращение периода реабилитации пациентов.

Снижение экономических потерь вследствие высокой заболеваемости и инвалидности.

составляет объем мирового рынка клеточной терапии. К 2019 году он может вырасти до 119,5 млрд долларов при сохранении среднегодового темпа роста на уровне 24,2%.

На российском рынке представлены, в основном, услуги по сбору и хранению стволовых клеток. В будущем ожидается высокий спрос на аутологичные клеточные продукты.

Драйвером тренда является потребность в эффективных средствах для регенеративной и клеточной медицины.

Барьер — возможные риски злокачественного перерождения перепрограммированных соматических клеток.

Технологии терапевтического применения РНК-интерференции

Многие неизлечимые заболевания возникают в силу патологических изменений генома клеток. Традиционные лекарства недостаточно эффективны при их лечении — из-за низкой специфичности и, в ряде случаев, значительного токсического воздействия на организм. Но главное — они не действуют на саму причину подобного рода заболеваний — соматические мутации генома. Ожидается, что точечно воздействовать на экспрессию генов, прерывая последовательность патологических изменений в клетке, управлять ключевыми механизмами развития, например, онкологических заболеваний станет возможным с помощью технологий терапевтического применения РНК-интерференции.

РНК-интерференция — один из основных методов исследования функций генов в культурах клеток и живых организмах — имеет большой терапевтический потенциал. Посредством посттранскрипционного подавления экспрессии генов (когда двухцепочечная РНК индуцирует деградацию гомологичной мРНК) можно воздействовать на уровне синтеза кодируемых ими белков, модулируя таким образом активность генома клеток на любом этапе развития заболеваний, связанных с нарушениями нуклеотидной последовательности. Характерное преимущество технологии — возможность точной локализации терапевтического действия, например, в очаге опухоли.

Возможность лечения генетически обусловленных болезней, в частности онкологических.

Переход на новые модели медицины, связанные с персонализированным подходом к лечению социально значимых заболеваний.


может составить к 2017 году объем глобального рынка созданных на основе технологий РНК-интерференции средств биомедицинского назначения и лекарственных препаратов для лечения онкологических, иммунодефицитных и других заболеваний (при сохранении среднегодового темпа роста на уровне 13,6%).

Отдельный сегмент рынка будут занимать реагенты для процедур РНК-интерференции, предназначенных для валидации лекарственных кандидатов и биологических мишеней.

Необходимость использования для терапии ранее неизлечимых заболеваний новых лекарственных средств, обладающих высоким уровнем специфичности, эффективности и безопасности, стимулирует развитие тренда.

Основные барьеры — нерешенные задачи направленной доставки лекарства до органа-мишени; экономические риски в связи с более высокой стоимостью препаратов на основе технологии РНК-интерференции.

© Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2015

Вспомогательные технологии при проведении ЭКО (пренатальный генетический скринингдиагностика)

Процедура, которая позволяет проводить исследования на мутации в последовательности определенных генов или анеуплоидий перед процедурой подсадки нормального по исследуемым хромосомам эмбриона в матку. Для этого при проведении программы ЭКО, как правило, на 5-е сутки культивирования эмбрионов извлекают 3-5 клеток, для проведения исследования на мутации в последовательности определенных генов или анеуплоидий перед процедурой подсадки эмбриона в матку.


Можно выделить два типа ПГТ

  • Предимплантационная генетическая диагностика (ПГД)
  • Предимплантационный генетический скрининг (ПГС)

Предимплантационная генетическая диагностика (ПГД)

Проводится когда один или оба генетических родителя несут генную мутацию или сбалансированную хромосомную перестройку. Тестирование выполняется для исключения мутации или несбалансированной хромосомной перестройки у ооцита или эмбриона.

Целью проведения является идентификация генетически нормального эмбриона у пар высокого риска. Его подсадка для получения здорового ребенка

В данном случае ПГД проводится для диагностики и исключения конкретного заболевания

Не проводится перенос не диагностированных эмбрионов.

Данный тип диагностики проводится при наличии у родителей аутосомно - доминантных заболеваний (50%-ый риск наследования), аутосомно - рецессивные заболевания (25%-ый риск наследования), у женщин - носителей Х-сцепленных заболеваний (25 % половых клеток - половина мужских эмбрионов, носителей мутаций наследственных заболеваний, носители сбалансированных хромосомных перестроек (инверсий , транслокаций и т.д.)

В настоящее время разработаны методы диагностики более 40 различных моногенных генетических заболеваний. Наиболее распространенные из них:

1. Муковисцидоз.
2. Спинальная мышечная атрофия.
3. Нейросенсорная тугоухость.
4. Фенилкетонурия.
5. Адреногенитальный синдром.
6. Синдром Мартина-Белл (ломкая Х хромосома)
7. ‏ Бета-Галактоземия.
Возможна диагностика любой другой наследственной патологии, если известен ген и найдена мутация, приводящая к данному заболеванию.

Предимплантационный генетический скрининг (ПГС)

Целью проведения является выбор эмбриона для переноса с учетом его хромосомного статуса. В данной ситуации не диагностированные эмбрионы могут быть перенесены.

Показания для проведения ПГС.

  • Возраст женщины
  • Невынашивание беременности в анамнезе
  • Регулярные потери ЭКО
  • Тяжелое бесплодие мужчины

Также по желанию родителей можно сделать ПГС для

  • Определения пола
  • HLA-типирования
  • Исключения заболеваний с поздним проявлением (болезнь Альцгеймера, РМЖ)
  • Исключения заболеваний, не угрожающие жизни
  • Тестирования наследственных предрасположенностей

Для хромосомного анализа разработано множество методов, суть которых в широком смысле - изучение структуры и функции хромосом в клетках практически любых тканей и органов, на любой стадии клеточного цикла, в митозе и мейозе.

Выбор цитогенетического метода определяется конкретной целью исследования, однако, в любом случае он состоит из двух этапов – получения и окраски хромосомных препаратов и собственно анализа хромосомного набора

Хромосомные болезни (Хромосомные синдромы)

Врожденная наследственная патология, обусловленная численными или структурными аномалиями кариотипа (геномными или хромосомными мутациями соответственно).

Как правило, фенотипическим проявлением хромосомных болезней являются множественные пороки развития (МВПР).

Этиология хромосомных болезней

геномные мутации (возникают de novo в гаметогенезе, реже - в первых делениях дробления зиготы)

– несбалансированные хромосомные мутации (обычно наследуются от родителей-носителей сбалансированных хромосомных перестроек; реже возникают de novo в гаметогенезе; совсем редко - в первых делениях дробления зиготы)

Методы предимплантационного генетического тестирования

  • Многоцветная FISH на интерфазных ядрах доимплантационных эмбрионов
  • Методы на основе ПЦР позволяют увеличить количество геномного сегмента, который содержит определенный ген для его дальнейшего анализа

В настоящее время появились новейщие технологии предимплантационного генетического тестирования, позволяющие диагностировать большее число заболеваний. Данные методики могут применяться как для предимплантационной генетической диагностики, так и для предимплантационного генетического тестирования

  • CGH на микрочипах – возможность проводить диагностику по 24 хромосомам.

ПРЕИМУЩЕСТВА предимплантационного генетического тестирования:

  • Выбор и перенос в матку только тех эмбрионов, которые не имеют хромосомных патологий
  • Снижение риска рождения ребенка с определенными генетическими дефектами
  • Снижение риска невынашивания беременности
  • Снижение риска многоплодной беременности
  • Увеличение шанса на успешную имплантацию
  • Увеличение шансов на благополучное рождение ребенка

РИСК при проведении предимплантационного генетического тестирования:

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ ПГД:

  • Процедура ЭКО/ИКСИ до 5-го дня культивирования эмбрионов in vitro;
  • Лабораторная процедура биопсии эмбриона на 5 день культивирования (с помощью механического или лазерного метода), а затем фиксация бластомера;
  • Криоконсервация эмбрионов после проведения биопсии трофэктодермы;
  • Генетическая диагностика зафиксированных клеток эмбриона и получение результатов диагностики;
  • Подготовка пацитки к переносу размороженных эмбрионов;
  • Перенос в полость матки эмбрионов без генетических дефектов на стадии бластоцисты;
  • Стандартная процедура диагностики беременности примерно через две недели после переноса эмбрионов.

В ходе беременности рекомендуется проведение диагностических исследований, позволяющих определить, нормально ли развивается плод. Диагностика ряда патологий возможна с помощью амниоцентеза или биопсии ворсин хориона (забор клеток жидкости или тканей, окружающих эмбрион). Исследование амниотической жидкости и ультразвуковое исследование могут обнаружить определенные патологии центральной нервной системы плода или других органов. Вам необходимо обсудить возможность проведения этих исследований со своим акушером-гинекологом, наблюдающим беременность.

Как и в случае естественного зачатия, при проведении ЭКО не существует гарантии того, что не родится ребенок с невыявленными физическими или психическими отклонениями. Имеющиеся на сегодняшний день данные указывают на то, что риск развития патологий у детей после экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) не выше такого риска после естественного зачатия.

Новые возможности репродуктивных технологий и генетики

Новые возможности репродуктивных технологий и генетики

23 июня 2017 года в Санкт-Петербурге по инициативе медицинского холдинга «МЕДИКА» собрались ключевые персоны отечественной и мировой репродуктологии и генетики.

Ведущие зарубежные и российские репродуктологи, генетики, эмбриологи, акушеры-гинекологи и специалисты пренатальной диагностики обсудили современное состояние и будущее преимплантационной диагностики и вспомогательных репродуктивных технологий на международной конференции, организованной Чикагским институтом репродуктивной генетики, Ассоциацией специалистов медицины плода и медицинским холдингом "МЕДИКА".

На помощь тем, кто не может зачать ребенка традиционным способом, приходят вспомогательные репродуктивные технологии – в частности, экстракорпоральное оплодотворение. Один из важнейших аспектов успеха процедуры ЭКО – преимплантационная генетическая диагностика (ПГД), или исследование эмбриона на наличие хромосомных патологий еще до его переноса матери.

Хромосомные патологии - основная причина невынашивания беременности и инвалидности у детей. Согласно статистике Чикагского института репродуктивной генетики, одного из пионеров мировой преимплантационной генетической диагностики и соорганизатора конференции, более половины эмбрионов, полученных от пациентов с плохим ЭКО-прогнозом, имеют хромосомную аномалию. Избежать переноса таких эмбрионов и способствовать улучшению исхода беременности в результате ЭКО помогают генетические исследования.

По словам профессора Анвера Кулиева, одного из создателей ПГД, преимплантационная генетическая диагностика на сегодня является неотъемлемой частью ЭКО, стандартом, который помогает парам, находящимся в группе риска, избежать рождения детей с тяжелыми патологиями, не сталкиваясь при этом с необходимостью прерывания беременности. "Накопленный опыт дает нам возможность на самых ранних стадиях выявлять любые генетические нарушения, которые обнаруживаются посредством пренатальной диагностики, а также тех патологий, которые ей не под силу", - говорит профессор Кулиев, который в настоящий момент продолжает свои исследования в Чикагском институте репродуктивной генетики, основанным его коллегой, еще одним знаменитым ученым-генетиком – профессором Юрием Верлинским.

Помимо профессора Кулиева, на конференции выступили:

  • профессор Семра Кахраман, член Высшего совета Министерства здравоохранения Турции по генетике, а также первый врач в Турции, применившая технологию микроинъекции, технологию TESE, технику заморозки и преимплантационную генетическую диагностику;
  • профессор В.С. Баранов, главный специалист по медицинской генетике Комитета по здравоохранению Санкт-Петербурга, член-корреспондент РАМН, заслуженный деятель науки РФ;
  • профессор И.Ю. Коган, д.м.н., главный внештатный специалист по репродуктивному здоровью Комитета по здравоохранению Санкт-Петербурга, член-корреспондент РАН, ученый секретарь НИИ АГиР им. Д.О. Отта;
  • Екатерина Померанцева, к.б.н., организатор первой в России службы ПГД-консультирования и другие ведущие эксперты.

Специалисты холдинга «МЕДИКА» также сделали свой вклад в научную программу конференции – с докладом об особенностях пренатальной диагностики после ПГД выступила Елена Сергеевна Шабанова, врач-генетик Центра медицины плода «МЕДИКА», а руководитель эмбриологической лаборатории Центра планирования семьи «МЕДИКА» Игорь Валерьевич Кожевников, к.б.н., выступил модератором мероприятия.

Гости и участники конференции высоко отозвались о его практической значимости и уже подтвердили свое присутствие на мероприятии в следующем году. По словам профессора Людмилы Александровны Жученко, д.м.н., заведующей курсом пренатальной диагностики кафедры медицинской генетики ФГБОУ ДПО РМАНПО МЗ РФ, конференция «Современное состояние и перспективы вспомогательных репродуктивных технологий с применением преимплантационной диагностики» стала школой международного обмена опытом, которая будет способствовать совершенствованию знаний и приобретению новых компетенций российских специалистов.

В перерывах между лекциями участники могли воочию увидеть достижения мировой медицины в сфере репродуктивной генетики и вспомогательных репродуктивных технологий – на выставке, организованной в рамках конференции, где свою продукцию и услуги презентовали ведущие фармкомпании, генетические лаборатории, разработчики и производители оборудования для генетических тестов, анализов и диагностики: Angelini, Dr. Reddy’s, Italfarmaco, Medical Genomics, RHANA, Thermo Fisher Scientific, БиоХиМак, ДИАЭМ, Интерген, Проген, Техмед, Хеликон, ЦГРМ «Генетико», ШАГ.

Читайте также: