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NGS可鉴定未确诊疾病患儿的罕见病变异

一项具有里程碑意义的NGS研究促成了新加坡的国家临床诊断外显子组测序平台。

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NGS可鉴定未确诊疾病患儿的罕见病变异

简介

在从新加坡国立大学(NUS)获得医学博士学位后,心脏病专家Roger Foo在剑桥大学接受了高级专家培训,开始研究心力衰竭中基因表达的表观遗传调控。新一代测序(NGS)的强大功能,在Foo博士开始使用NGS系统对患者的心肌样本进行RNA-Seq和ChIP-Seq时逐渐展现出来。很显然,全世界的临床研究人员都在更广泛地使用NGS来鉴定疾病相关DNA变异,并将其作为临床转化研究中的一个组成部分。回到新加坡后,Foo博士成为在临床中广泛使用NGS的积极倡导者。

建立成人孟德尔相关单基因心脏疾病的心脏遗传服务成为了引起同行对NGS价值重视的第一步。他还通过生物医学研究委员会(BMRC)资助的罕见未确诊疾病项目与他的儿科同事进行了合作,为儿童提供临床外显子组测序。在新加坡,约1%的新生儿具有潜在的遗传病。1其中一些可以立即被儿科医生识别,例如三体综合征和一些不那么复杂的综合征。另外还有一些更复杂的先天性疾病,例如发育迟缓或智力障碍,这些疾病要在出生后几周或几个月才会变得明显。在新加坡,罕见未确诊疾病为将NGS引入常规应用的临床转化提供了完美的切入点。Foo博士与来自新加坡国立大学医院(NUH)儿科中心和KK妇女儿童医院的儿科医生一起,共同建立了新加坡儿童未确诊疾病研究项目(SUREKids)。使用NGS对患有罕见未确诊疾病的婴儿进行测序让SUREKids团队有机会为这些儿童疾病找到可能的遗传诊断。

iCommunity采访了Foo博士,了解了SUREKids、他们目前获得的结果、在新加坡建立的NGS分析和数据储存基础设施,以及新加坡政府对NGS临床研究不断增加的支持。

Roger Foo(医学博士)是新加坡国立大学医学系的副教授。

问:您的医学背景是什么?

Roger Foo(RF):我是一名心脏病专家,当我还是剑桥大学的研究员,也是剑桥大学教学医院Addenbrooke医院的顾问医师时,我对基础研究产生了兴趣。心脏是一个特殊的器官,它在承受压力时,基因表达会发生变化。我在剑桥的研究重点是基因表达调控和表观遗传学,主要使用NGS对心肌样本进行RNA-Seq和ChIP-Seq。

问:NGS已经在新加坡广泛使用了吗?

RF:在2012年,NGS在新加坡的使用仅限于研究。相比之下,在我回到新加坡工作之前,我在剑桥看到NGS已经用于对患者样本的测序。

我意识到,新加坡可以很容易地将NGS的应用转化到临床。因此,我成为了扩展其应用的倡导者。罕见儿童疾病成为了使医生们认识到NGS优势的切入点。我不是儿科医生,但我在NUS心脏遗传诊所看到了患有罕见孟德尔疾病的心脏病患者。

“我们对由100个婴儿和他们的父母组成的300个家系进行了WES。我们鉴定出了38个病例中的罕见遗传病变异,这些病例困扰了医生几个月,甚至将近一年。”

问:SUREKids是如何形成的?它的目标是什么?

RF:我的医学训练是在新加坡进行的,我认识医疗系统中的许多医生。新加坡有2个国家级儿科中心,新加坡NUHKids和KK妇女儿童医院。在这两家医院工作的儿科顾问并不总是会一起工作。他们还没有使用NGS,并对可能的联合NGS项目非常感兴趣。

我们从新加坡科技研究局(A*STAR)获得了BMRC基金。SUREKids成立于2015年,其目标是使用NGS开发适用于新加坡人群的临床外显子组panel。我们在对包含患者和双亲的家系进行测序。我们使用HiSeq™ 2500和NextSeq™ 550系统来进行全外显子组测序(WES),鉴定新加坡罕见未确诊疾病患儿的疾病相关变异,上述两家医院共享数据。

有些信息WES不能提供,因此我们用其他检测来做补充。长插入/缺失和易位不能用WES检测。因此,我们会在进行WES之前使用染色体芯片,必要时使用细胞遗传学检测来分析患者样本。

问:在SUREKids之前,罕见病患儿如何进行诊断?

RF:未确诊罕见疾病患儿的父母知道他们的孩子不够健康,但不知道为什么。只有能负担起相应费用的父母才能将样本送到澳大利亚或美国进行遗传分析,他们希望能尽快获得结果用于临床决策。由于费用高昂,每年大约仅有5份样本送往国外。

问:您需要建立专门的团队对SUREKids样本进行测序吗?

RF:测序是在基因组学研究所进行的,那里的研究人员有大量在湿式实验室进行NGS的经验和丰富的生物信息学技能,可以进行多种研究。但是,我们的目标是在美国病理学家协会(CAP)认证的环境中建立NGS临床诊断水平的检测。我们建立了这一新的NGS实验室获得CAP认证必需的流程和书面工作流程。

实验室名为Polaris,位于基因组学研究所内。患者样本在医院临床实验室进行记录、加条形码和匿名化,然后用CAP认证的途径运送到Polaris并进行WES。

“由于SUREKids项目的实施,两家医院联合开发了生物信息学专业知识和培训。”

问:谁负责SUREKids数据的生物信息学分析?

RF:项目的生物信息学方面是挑战中有趣的部分。具有分析NGS研究数据经验的生物信息学家通常不熟悉临床表型和情况。我们需要为医院培训一组特殊人才,将生物信息学分析从以研究为中心转变为以临床为中心。NUHKids和KK妇女儿童医院看到了在医院发展临床生物信息学能力的价值,这也促使了它们支持该项目。由于SUREKids项目的实施,两家医院联合开发了生物信息学专业知识和培训。许多具有基础研究技能的生物信息学家也渴望获得临床专业知识,拥有医院的工作保障,因此最后对每个人来说都是双赢的局面。

两家医院现在都有了自己的临床生物信息学团队。我们称他们为变异管理者。他们专注于使用测序结果、临床术语和对患有未诊断罕见病的婴儿和儿童的表型描述来整合他们的分析。这些变异管理者现在是两个医学中心临床基因组学多学科团队的组成部分。我们称这个团队是临床领域的MDT。

SUREKids项目的一个重要优点是测序和分析现在在新加坡进行,而不是在国外。这是政府资金第一次用来支持当地的临床NGS活动。

问:你们如何选择对样本进行WES还是WGS?

RF:A*STAR基金为我们提供的经费只够进行WES。庆幸的是,基因组研究所主任看到了支持SUREKids的价值,他提供了补充资金,专门用于促进我们的经验和合作。每当我们觉得进行WGS和对外显子和内含子区域进行更深入的测序可以有所收获时,我们就会使用这些基金。我们现在需要更多分析全基因组的经验,希望能在项目的下一阶段提高我们在该领域的熟练程度。WGS能让我们检测WES不能检测的与罕见病相关的其他类型的突变,例如插入/缺失、替换、易位、倒位或移码。

SUREKids项目的优点之一是所有序列都会上传到新加坡的国家数据库,包括新加坡外显子组数据库和SG 10K基因组数据库。这些数据库为所有临床病症提供了可靠的参考背景。它们将为未来的个性化医疗和个性化治疗方案研究奠定基础。

我们还建立了罕见病记录。这一工作由我们的一位顾问领导,他是儿科医生和遗传学家。这对于两家医院的生物信息学团队是一个在数据流程中合作的机会,以便在对儿童作出诊断后进行记录。

“SUREKids项目的优点之一是所有序列都会上传到新加坡的国家数据库……它们将为未来的个性化医疗和个性化治疗方案研究奠定基础。”

问:到目前为止,你们在SUREKids项目中取得了什么成果?

RF:在过去3年中,我们对由100个婴儿和他们的父母组成的300个家系进行了WES。我们鉴定出了38个病例中的罕见遗传病变异,这些病例困扰了医生几个月,甚至将近一年。

至少有5个病例因获得的变异数据改变了患者管理方案。在几个病例中,变异数据证实了骨髓移植是有益的。这些病例之前已经在考虑进行骨髓移植。但是骨髓移植很昂贵,医生团队不确定这样的决策是否是正确的。当WES鉴定出与免疫缺陷疾病相关的基因变异时,团队继续进行了骨髓移植并且患者已完全康复。

在多个病例中,我们发现了新的罕见病突变并将遗传和表型信息上传到了基因组匹配与交换计划(Matchmaker Exchange)。2

问:罕见病变异的鉴定对于未确诊罕见病患儿的父母意味着什么?

RF:变异的鉴定消除了疾病的不确定性给他们带来的阴影。在很多情况下,父母最后终于得知了他们的孩子自出生以来就患有的疾病的名称。这让他们可以使用Facebook和其他社交媒体找到其他国家中患有相同疾病的孩子的家庭。建立这样的联系能让他们觉得自己并不孤单,为他们带来一定的慰藉。

这些信息也可以帮助父母决定是否要再生育另一个孩子。在我们检测的婴儿中,超过三分之二具有新发突变,这使得再生出另一个患有这种疾病的孩子的风险不高于其他受孕的孩子。这有助于父母了解情况。这一信息对于携带纯合或复合杂合疾病的孩子的父母也很重要。

我们收到了许多参与SUREKids项目的父母寄来的令人动情的感谢信。这对我们所有人来说都是令人愉快的经验。

问:SUREKids项目的后续计划是什么?

RF:我们已经实现了创建临床外显子组panel的目标。我们下一个目标是在家系检测中加入WGS作为常规检测。

NUS、剑桥大学和加州大学伯克利分校建立了名为“全球联盟”的三方协议。2017年,这些大学的医学中心建立了全球联盟基金,邀请了他们机构内的医学研究人员来申请。来自这3个医学中心的儿科医生申请了基金,用于将WGS引入SUREKids研究项目。我们在获得该基金时非常激动,然后开始对家系样本进行了WGS。

“我们已经实现了创建临床外显子组panel的目标。我们下一个目标是在家系检测中加入WGS作为常规检测。”

问:有了全球联盟基金,你们会对普通的新生儿还是可能患有罕见疾病的新生儿进行WGS?

RF:SUREKids这一阶段的重点是对每个中心的新生儿重症监护病房(NICU)的患者样本进行WGS。我们的目标是建立48小时周转时间的WGS分析工作流程。除了获得WGS分析经验,我们也会分享数据来鉴定新的罕见病变异。

SUREKids项目的一个积极成果是实现了新加坡国家超级计算机支持临床测序分析的需要。2016年,新加坡国立超级计算中心增加了一台超级计算机用于精准医疗。它可以让我们安全地储存WGS数据,并获得全基因组分析的经验。其中储存的近90%的测序数据可能都来自Illumina NGS系统。

问:在NGS可以在临床环境中更广泛地使用之前需要进行哪些改变?

RF:目前,NGS在新加坡还不能报销。我们经常与新加坡卫生部进行沟通,介绍NGS的价值和临床医生希望所有患者更容易获得NGS的愿望。我们的活动促成了2018年9月公布的国家基因组测序政策。SUREKids项目的实际经验和家长团体的游说对实现这一里程碑式的成果很有帮助。

目前关于开展NGS的临床实验室必须具备的要素的明确指南正在制定中。这包括在患者申请NGS检测时为患者和家长提供建议的在职遗传顾问、数据如何向患者或其家长报告的政策以及如何处理意外发现。政策文件已由律政部审阅。如果新加坡政府对NGS进行补贴或报销,那就真的是梦想成真了!

问:您的团队关于罕见病研究的下一步计划是什么?

RF:我们的目标是进行更多的WGS,提高我们的全基因组生物信息学能力。我的实验室有许多博士后研究员和学生,他们大部分都在从事心脏病学、心脏生物学或心脏表观遗传学研究项目。最近,我更关注罕见病分析,与Polaris进行了合作,将更多基因组检测推到临床。3WGS可以让我们重新评估未解决的SUREKids病例,有可能发现外显子区以外新的罕见病变异。

深入了解本文提及的系统:

HiSeq 2500系统

NextSeq 550系统

参考文献
  1. Tan KH, Tan TY, Tan I, et al.Birth Defects in Singapore: 1994–2000.Singapore Med J. 2005; 46: 545–552.
  2. Matchmaker Exchange.Genomic discovery through the exchange of phenotypic and genotypic profiles.www.matchmakerexchange.org/.Accessed November 9, 2018.
  3. Polaris.The right drug to the right person at the right time.www.a-star.edu.sg/polaris/ABOUT-US.Accessed December 3, 2018.