Towards the Development of a Noninvasive Prenatal Test for Beta-Thalassemia: Utilization of Probe Capture Enrichment and Next Generation Sequencing

Blood ◽  
2016 ◽  
Vol 128 (22) ◽  
pp. 3622-3622 ◽  
Author(s):  
Katie Carlberg ◽  
Nikhil Bose ◽  
Jingyi Deng ◽  
Ashutosh Lal ◽  
Henry Erlich ◽  
...  

Abstract β-thalassemia causes significant morbidity and mortality worldwide. Currently, the diagnosis can be made prenatally for couples at risk using invasive procedures such as chorionic villus sampling and amniocentesis. Noninvasive prenatal testing (NIPT) on maternal blood samples would enable earlier fetal diagnosis and eliminate risks associated with these procedures. The discovery of cell-free fetal DNA (cfFDNA) in maternal plasma and advances in next generation sequencing (NGS) have made NIPT a clinical reality for aneuploidies. Diagnosing autosomal recessive (AR) disorders is more challenging as it requires determination of both the paternally and maternally inherited alleles and can be particularly difficult when both parents carry the same mutation. Previous studies used methods to identify the paternally inherited allele in maternal plasma through the detection of a DNA sequence variant present in the father and absent in the mother. Our method expands the target region beyond the β-globin gene into highly polymorphic regions to increase the likelihood of identifying unique paternal sequences. Unlike the detection of the paternal allele, there is no direct qualitative approach for determining the maternally inherited allele. Our solution is an indirect quantitative method that compares the ratio of allelic sequence reads to infer which maternal allele was inherited by the fetus. We have developed a novel NGS assay which utilizes probe capture enrichment, a method employing thousands of short overlapping oligonucleotide probes complementary to a target sequence region. This design makes it uniquely applicable to short, fragmented DNA, such as cell-free DNA (~150 base pairs). Our probe assay targets a contiguous 900 bp region which spans a portion of the β-globin gene (part of exon 2 as well as the entirety of IVS-1 and exon 1) and extends 579 bp into the highly polymorphic 5' UTR region to identify linked sequence variations. Additionally, the assay targets 451 single nucleotide polymorphisms (SNPs) throughout the genome. SNPs that are "informative" (i.e. an allele present in the fetus and absent in the mother) are used to calculate the fraction of cfDNA from the fetus. We have evaluated our assay's performance in a set of experiments designed to simulate the challenging aspects of cfFDNA: very low quantity and short fragment size. The assay's sensitivity was tested by preparing libraries containing amounts of DNA ranging from 50 to 0.05 ngs. At DNA amounts as low as 5 ng (5-fold lower than that expected in plasma), 100% coverage was achieved for the targeted β-globin region and SNPs. The probe/NGS system successfully captured and sequenced DNA fragments as short as 35 bps and as little as 0.5 ng of DNA with >95% coverage. To test the ability of the probe/NGS system to resolve mixtures, DNA samples from patients with known β-globin mutations were combined in ratios ranging from 2.5:97.5 to 20:80 in 25 ng total DNA to mimic the maternal/fetal cfDNA mixture. Our assay was able to detect minority heterozygous mutant alleles at proportions as low as 1.25% and 0.3 ng of DNA. In a mixture designed to simulate a case with a shared parental mutation (CD41/42(-TTCT)), we identified a linked SNP (rs713040) allele, which was within 250 bp of the mutation and unique to the minor fraction. We used this SNP to distinguish the CD41/42 (-TTCT) mutation contributed by the minor fraction. Based on 6 mixtures, we observed 24.3% (110/451) of SNPs to be informative, allowing for a precise estimate of the minor fraction. We estimated the minor fraction to be 11.88% and 5.98% compared to the expected 10% and 5%, respectively. To show proof of concept for inferring the minor ("fetal") genotype when the major ("maternal") genotype was heterozygous mutant (IVS1-5 (G>C)), the estimated minor fraction (10.4% based on 104 informative SNPs) was used to calculate the expected allelic ratios of the 3 different possible minor ("fetal") genotypes. The minor genotype was correctly inferred as wt/wt based on the observed mixture ratio (42.56/57.41 mut/wt) compared to the expected (44.93/55.07). These data show that our probe capture/NGS system can overcome the challenges implicit in the analysis of cfFDNA for NIPT: low DNA amount (<5 ng) and short fragments (<150 bp). We expect that our approach using the fetal fraction estimate will allow us to successfully infer the fetal genotype when applied to maternal plasma. Disclosures Erlich: Allen and Overy, Law Office: Consultancy.

2019 ◽  
Vol 21 (4) ◽  
pp. 572-579 ◽  
Author(s):  
Claudio Dello Russo ◽  
Anthony Cesta ◽  
Salvatore Longo ◽  
Maria A. Barone ◽  
Antonella Cima ◽  
...  

Transfusion ◽  
2019 ◽  
Vol 59 (3) ◽  
pp. 1102-1107 ◽  
Author(s):  
Agnieszka Orzińska ◽  
Katarzyna Guz ◽  
Michal Mikula ◽  
Anna Kluska ◽  
Aneta Balabas ◽  
...  

2015 ◽  
Author(s):  
Γεωργία Χριστοπούλου

Οι επιγενετικές τροποποιήσεις του DNA αποτελούν ευρύ αντικείμενο μελέτης σε ότι αφορά τους μηχανισμούς, το ρόλο τους και τις δυνητικές εφαρμογές τους στην πρόβλεψη, διάγνωση και παρακολούθηση παθολογικών καταστάσεων. Η καλύτερα μελετημένη επιγενετική τροποποίηση είναι η μεθυλίωση του DNA.Η διερεύνηση της γενετικής σύστασης του εμβρύου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα στην προγεννητική διάγνωση. Η διάγνωση ανευπλοειδιών του εμβρύου, με συχνότερη την τρισωμία 21 (σύνδρομο Down), πραγματοποιείται με τη διεξαγωγή του καρυοτύπου του εμβρύου και μεθοδολογίες της μοριακής κυτταρογενετικής μετά από επεμβατική λήψη ιστών του. Τέτοιες διαδικασίες είναι η λήψη χοριονικών λαχνών και η αμνιοπαρακέντηση, ενώ σπανιότερα γίνεται λήψη εμβρυϊκού αίματος. Οι μέθοδοι αυτές συνδέονται με κίνδυνο επιπλοκών στην κύηση και αποβολής του εμβρύου. Για την αποφυγή επιπλοκών, πραγματοποιούνται βιοχημικοί και υπερηχογραφικοί έλεγχοι οι οποίοι οδηγούν σε εκτίμηση του κινδύνου να πάσχει ένα έμβρυο, ωστόσο, η ανιχνευσιμότητά τους δεν είναι αρκετά ικανοποιητική.Η ανακάλυψη της κυκλοφορίας εμβρυϊκών κυττάρων και ελεύθερου εμβρυϊκού DNA (cffDNA, cell free fetal DNA) στο περιφερικό αίμα της εγκύου άνοιξε νέους ορίζοντες για την μη επεμβατική ανίχνευση ανευπλοειδιών. Τα τελευταία χρόνια, οι περισσότερες έρευνες εστιάζουν στη μελέτη του cffDNA μέσω τεχνολογιών αλληλούχησης του DNA (NGS, Next Generation Sequencing) και μελέτης της διαφορικής μεθυλίωσης του DNA μητέρας και εμβρύου. Οι τεχνολογίες οι οποίες βασίζονται σε NGS είναι δυναμικές και έχουν σήμερα κλινική εφαρμογή. Παρουσιάζουν, παρ’ όλα αυτά, σημαντικούς περιορισμούς ορισμένους από τους οποίους θα μπορούσαν οι «επιγενετικές» προσεγγίσεις να υπερκεράσουν.Μια από τις επιγενετικές προσεγγίσεις βασίζεται στις διαφορές μεθυλίωσης μητρικού και εμβρυϊκού DNA (DMRs, Differentially Methylated Regions) στο περιφερικό αίμα της εγκύου και τον εμπλουτισμό του cffDNA με την ανοσοκατακρήμνιση μεθυλιωμένου DNA (MeDIP, Methylation Dependent Immuno Precipitation). Μετά τον εμπλουτισμό του cffDNA με MeDIP ακολουθεί ποσοτική ανίχνευση των περιοχών DMRs με τελικό αποτέλεσμα την ανίχνευση ή όχι τρισωμίας 21 στο έμβρυο. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποδείχθηκε ότι έχει υψηλή ευαισθησία και ειδικότητα ωστόσο, επιδέχεται βελτιώσεων.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν τροποποιήσεις σε ορισμένα κομβικά σημεία της μεθοδολογίας, οι οποίες αξιολογήθηκαν για την επίδραση τους στην απόδοση των σταδίων αυτών προκειμένου να ενσωματωθούν σε αυτήν. Επιπλέον, λόγω της κρισιμότητας της διαδικασίας της συλλογής, διατήρησης και μεταφοράς των δειγμάτων μέχρι την ανάλυση, εξετάστηκε η καταλληλότητα της συλλογής δειγμάτων περιφερικού αίματος της εγκύου σε ειδικά σωληνάρια STRECK αντί των συνηθέστερα χρησιμοποιούμενων, τα οποία περιέχουν αντιπηκτικό Κ+/EDTA.Η μελέτη έδειξε ότι η επεξεργασία των δειγμάτων περιφερικού αίματος δεν είναι απαραίτητο να γίνει άμεσα και ότι είναι δυνατή η μεταφορά τους χωρίς ο χρόνος που μεσολαβεί και οι δεδομένες συνθήκες μεταφοράς να είναι καθοριστικές παράμετροι για την καταλληλότητα των δειγμάτων και τη διεξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων. Το στάδιο της ανοσοκατακρήμνισης μεθυλιωμένου DNA είναι ίσως το κρισιμότερο στάδιο της μεθοδολογίας, καθώς είναι σχετικά πολύπλοκο, απαιτεί ακριβείς και λεπτούς χειρισμούς και κατά το οποίο είναι δυνατή η εισαγωγή σφαλμάτων. Η σύμπτυξη των δυο σταδίων επώασης (αντίσωμα-DNA και συμπλόκου Ab-DNA-μαγνητικών σφαιριδίων) ήταν επιτυχής μειώνοντας το χρόνο από 4 σε 3 ώρες, την πολυπλοκότητα και τον κόπο για τους χειρισμούς καθώς και την συνακόλουθη εισαγωγή σφαλμάτων. Η μείωση του όγκου της αντίδρασης ανοσοκατακρήμνισης του μεθυλιωμένου DNA οδήγησε σε αποτελέσματα τα οποία είναι το ίδιο καλά σε σχέση με το αρχικό πρωτόκολλο, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο την οικονομικότερη διαχείριση της ήδη περιορισμένης ποσότητας του cffDNA, εξασφαλίζοντας τη μεγαλύτερη διαθεσιμότητά του για περεταίρω διερευνήσεις. Η μείωση της ποσότητας του αντισώματος και των μαγνητικών σφαιριδίων ανά αντίδραση ανοσοκατακρήμνισης οδήγησε και αυτή σε αποτελέσματα συγκρίσιμα με αυτά της αρχικής μεθοδολογίας μειώνοντας το κόστος της. Στη συνέχεια διεξήχθη μελέτη της αποτελεσματικότητας και της ευαισθησίας της ανίχνευσης DMRs. Δείχθηκε ότι η τροποποιημένη μεθοδολογία επιτρέπει την αποτελεσματική ανίχνευση των DMRs.Η παρούσα μελέτη έδειξε την επιτυχή βελτιστοποίηση της υπάρχουσας προσέγγισης (MeDIP-qPCR) για την μη επεμβατική ανίχνευση της τρισωμίας 21 από το περιφερικό αίμα της εγκύου. Η μέθοδος είναι υποσχόμενη, με δυνατότητα επέκτασης σε περισσότερες ανευπλοειδίες ή και άλλες χρωμοσωματικές ανωμαλίες. Είναι σημαντική η διερεύνηση παραμέτρων για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της προκειμένου να είναι εφικτή η μελέτη της γενετικής σύστασης του εμβρύου με επιγενετικές προσεγγίσεις.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document