Noninvasive prenatal detection of trisomy: a review of methods and comparison of approaches

Неинвазивное пренатальное тестирование (НИПТ, Non-Invasive Prenatal Testing, NIPT) с целью выявления трисомий в последнее время получило широкое распространение в клинической практике во многих странах, включая Россию. Несмотря на то, что НИПТ не позволяет оценить количество и структуру всех хромосом плода (это возможно только путём кариотипирования), этот анализ обладает хорошими показателями чувствительности и специфичности, а также позволяет устранить риски, сопровождающие инвазивные диагностические процедуры (амниоцентез, кордоцентез, биопсия ворсин хориона и т.д.). Для НИПТ преимущественно используют последовательности внеклеточной фетальной ДНК (cell-free fetal DNA, cffDNA), которые в небольшой концентрации присутствуют в крови беременной женщины и исчезают после беременности. В настоящее время для НИПТ используют методы высокопроизводительного секвенирования (Next Generation Sequencing, NGS). В обзоре приведены основные подходы и методы, применяемые для НИПТ с целью обнаружения трисомий: массовое параллельное секвенирование методом дробовика (massive parallel shotgun sequencing, MPSS), таргетное массовое параллельное секвенирование (targeted massive parallel sequencing, t-MPS) и подходы, основанные на изучении однонуклеотидных полиморфизмов (single nucleotide polymorphism, SNP), а также произведено сравнение эффективности их использования для выявления трисомий по хромосомам 13, 18 и 21 (синдромов Патау, Эдвардса и Дауна, соответственно). При использовании MPSS анализу подвергаются последовательности всего генома, а при t-MPS - только специфические последовательности. В статье обсуждаются также методы анализа мРНК, эпигенетических маркёров плода и дополнительные методы усиления сигнала (например, DANSR, Digital Analysis of Selected Regions, цифровой анализ выбранных областей). В обзоре приведены основные причины появления ложных (ложноположительных и ложноотрицательных) результатов при НИПТ (мозаицизм, феномен “резорбция двойни”, низкий уровень cffDNA и др.). Дано краткое описание современного места НИПТ в клинической практике и перспектив включения НИПТ в схему пренатального скрининга, а также основных трудностей, ограничивающих более широкое применение технологии НИПТ в клинике. Прежде всего эти трудности связаны со спецификой cffDNA (концентрация, индивидуальные отличия и др.), а также с этическими аспектами (генетический детерминизм, информированное согласие пациентов и др.). Non-invasive prenatal testing (NIPT) of trisomy has recently become widespread in clinical practice in many countries, including Russia. Despite the fact that NIPT does not allow to estimate the number and structure of all chromosomes of the fetus (this is possible only when using karyotyping), this analysis has good sensitivity and specificity indicators, and also allows eliminating the risks accompanying invasive diagnostic procedures (amniocentesis, cordocentesis, chorionic villus biopsy, etc.). The sequences of cell-free fetal DNA (cffDNA), which are present in low concentrations in the blood of a pregnant woman and disappear after pregnancy, are mainly used for NIPT. Currently NIPT uses Next Generation Sequencing methods (NGS). The review presents main approaches and methods used for non-invasive prenatal testing of trisomy: massive parallel sequencing by the shotgun method (MPSS), targeted parallel sequencing (t-MPS) and approaches based on the study of single nucleotide polymorphisms (SNP). In review we also compare efficacy of their use for the detection of trisomy of chromosomes 13, 18 and 21 (Patau syndrome, Edwards syndrome and Down syndrome, respectively). When using MPSS, sequences of the whole genome are analyzed, and with t-MPS, only specific sequences of interest are analyzed. The article also discusses methods for analyzing mRNA, fetal epigenetic markers, and additional signal amplification methods (for example, DANSR, Digital Analysis of Selected Regions). The review presents the main reasons for the appearance of false (false positive and false negative) results in NIPT (mosaicism, the phenomenon of “twin resorption”, low levels of fetal DNA, etc.). A brief description of the current place of NIPT in clinical practice and prospects for the inclusion of NIPT in the prenatal screening scheme, as well as the main difficulties that limit the wider use of NIPT technology in the clinic, are given. Primarily, these difficulties are associated with the specificity of cell-free fetal DNA (concentration, individual differences, etc.), as well as ethical issues (genetic determinism, informed patient consent, etc.).