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BLINDBILD
Notwendigkeit und Komplexität der genetischen Diagnostik bei seltenen Erkrankungen: Die „neue“ Rolle der Medizinischen Genetik bei klinischen Entscheidungsfindung
Olaf Riess Institute of Medical Genetics and Applied Genomics, Tübingen, Germany
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Effizienzzuwachs der Next Generation Sequenziertechnologie
1st generation 2nd generation
Illumina / Solexa
Genetic Analyzer
2000 Mb / run (96h)
Roche / 454
Genome Sequencer FLX
400 Mb / run (8h)
Applied Biosystems
SOLiD
3000 Mb / run
(120h)
1000 : 1
Applied Biosystems
3730xl
0,08 Mb / run
1 Mb / 24 h
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
„Disruptive
technological enablers in Health Care“
USA: ca. 17-29$ Mrd. pro Jahr
aufgrund einer falschen Diagnose
verursacht
1. Molekulargenetische Diagnostik
2. Bildgebung
3. Telekommunikation
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Kosten im Gesundheitswesen
• Diagnostisches „follow up“ bei Behinderungen
» Imaging, EEG, biochemische Analysen, gegebenenfalls
Biopsien: Über 10.000$ pro Patient
(Kingsmore and Saunders 2011, SciTransMed 3, 87ps23)
• Entwicklungsneurologische Erkrankungen betreffen ca. 4 bis 6%
der Bevölkerung, meist Kinder (zB geistige Behinderung,
Epilepsien, Autismus, neuromuskuläre Erkrankungen)
• Entwicklungsneurologische Erkrankungen verursachen 5-10%
der gesamten Gesundheitsausgaben in den USA (Center for Disease Control and Prevention (CDC): Economic costs associated with
mental retardation, cerebral palsy, hearing loss and vision impairment-United States,
2003, MMRW Morb Mortal Wkly Rep 53, 57-59 (2004)
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
„Precision medicine“
erfordert
1. Wissen, was der Erkrankung
zugrunde liegt (Ursache)
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
FORSCHUNG
• WGS/WES ermöglicht in Einzelfamilien bzw. sogar einzelnen
Patienten Identifizierung des „Krankheitsgens“ und der
zugrunde liegenden Mutation
• ca. 80% der 7000-8000 Seltenen Erkrankungen haben eine
genetische Ursache
• Überwältigende Informationsflut (2011/12: ca 30 neue Gene für
Ataxien/Paraplegien, mehr als 100 neue Gene für
Entwicklungsverzögerung…)
Wandel der Humangenetik in Zeiten der
Genomsequenzierung
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
„Precision medicine“
erfordert
1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt
(Ursache)
2. Möglichkeit der einfachen,
spezifischen und kostengünstigen
Diagnostik (insb. molekulargen. D)
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
NGS Technologie in der DIAGNOSTIK
Gene Panel Sequencing
- Standard für genetisch heterogene Erkrankungen
- löst bereits jetzt „traditionelle“ Einzelgenanalyse ab
- Schnelle Umsetzung wichtig für Effizienzsteigerung und
Kostenreduktion
- Aufnahme in die Krankenkassenvergütungsordnung
dringendst notwendig
Wandel der Humangenetik in Zeiten der
Genomsequenzierung
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Erbliches Brust- und Ovarialkrebspanel Tübingen
56 Gene
APC ATM ATR BABAM1
BAP1 BARD1 BLM BMPR1A
BRCA1 BRCA2 BRCC3 BRIP1
CDH1 CDK4 CDKN2A CHEK1
CHEK2 EPCAM FAM175A FANCA
FANCC FANCD2 FANCE FANCF
FANCG FANCP MEN1 MLH1
MRE11A MSH1 MSH2 MSH3
MHS6 MUTYH NBN PALB2
PMS1 PMS2 PRSS1 PTCH1
PTEN RAD50 RAD51 RAD51B
RAD51C RAD51D RBBP8 RET
SMAD4 STK11 TP53 TP53BP1
UIMC1 VHL XRCC2 XRCC3
Nachteil: - „unflexible Genvorgabe“
- Auswahl unterschiedlich zwischen den Laboren
Notwendigkeit: neue Generation an Humangenetikern
(Genomanalytiker mit hohem klinischen Verständnis)
Realität in Deutschland: Patienten mit einer seltenen
Erkrankung haben KEIN Recht auf eine korrekte
Diagnose
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
„Clinical Whole-Exome Sequencing for the
Diagnosis of Mendelian Disorders“
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
250 Patienten mit WES charakterisiert (diagnostische Ansatz)
25% wurden gelöst
33 AD, 16 ar, 9 X-gekoppelt
83% der ad und 40% der X-linked waren de novo
126 von 129 Anfragen an die Krankenkassen wurden bezahlt!
Yang et al. 2013, NEJM
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
„Precision medicine“
erfordert
1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt
(Ursache)
2. Möglichkeit der einfachen, spezifischen und
kostengünstigen Diagnostik
3. Möglichkeiten zur Behandlung der
Erkrankungen
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Krankenkassen
Genetische Analysen sind nicht notwendig,
da sie für die Therapie nur wenig diagnostische
Bedeutung haben.
Testung von Familienangehörigen bei genetischen
Risiken ist kein „Ziel“ von Versicherungen.
„Unnötiger Luxus!“
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
ABER
- Diagnosesicherung führt zu Handlungsentscheidungen
- Verhindert unnötige (kostspielige) Diagnostik
- Ermöglicht Management von Erkrankungen auch wenn
keine unmittelbare Therapieentscheidung erfolgt
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Wie viel ist uns eine „Genomanalyse“ wert?
• USA: Gesundheitskosten pro Patient pro Jahr 9000 $
• Neugeborenes: 8000 $ pro Tag Klinikaufenthalt
• „Exomsequenzierung“ pro Patient : Verbrauch: 1000 $
Personal und Geräte: 5000$
• Genomanalysen müssen nicht wiederholt werden
• Person lebt im Durchschnitt 78 Jahre, daher wären Kosten für
Genomanalysen ca. 65$ pro Jahr
Kein Luxus !
Die neue Rolle
der
Medizinischen Genetik
bei
Therapieentscheidungen
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen Worthey et al. 2011 „XIAP deficiency in inflammatory bowel disease“ Genet Med
• Kind mit schwerer entzündlicher Darmerkrankung
• 3 Jahre fast ununterbrochene Krankenhausaufenthalte
• über 100 (!) chirurgische Eingriffe
• Klinische Konsultationen mit Ärzten in zahlreichen Ländern, wöchentliche
„clinical care meetings“
• WES zeigte eine XIAP Mutation =
hemophagozytotische Lymphohistozytose (HLH)
• Bisher nicht in Verbindung mit entzündlichen Darmerkrankungen
• Leber und Darmbiopsien sowie Knochenmarkpunktionen ergaben keinen
Hinweis auf eine aktive HLH
• DENNOCH, da XIAP Mutationsträger unbehandelt eine geringe
Überlebenschance haben, wurde eine hämatopoetische
Stammzelltransplantation durchgeführt
• nach 5 Monaten war das Kind praktisch geheilt !!
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
Necessary!
BEISPIEL 1:
Heilend
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Josua, 7 Jahre alt
- Klinik:
- MR, Epilepsie
- Größe < 3.Perzentile
- Kleiner Kopfumfang
- Nach Infekt Bewusstlosigkeit
- Entwicklungsparameter alle spät
- mit 5 Jahren spastisch
- Diagnostik:
- Genetisch: Chromosomen, Subtelomer, Angelman
- Biochemisch: Aminosäuren, Oligosaccharide, Lactat im Liquor,
Spectroscopie, Ammoniak, Mitochondriopathie
- Bildgebung: bilaterale Läsionen im vorderen Globus pallidus
- Therapeutische Optionen: Betreuung, Stabilisierung, Computer mit „voice
synthesizer“
BEISPIEL 2
(Symptomlindernd)
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Joshua
Diagnostische Optionen:
- WES
- Epilepsie/MR Panel (3)
- „Kingsmore“ Panel Version 2 (1222 Gene)
- Verschobene X Inaktivierung bei Mutter:
Sequenzierung des X Chromosoms Mutation im Glycerol kinase Gen
Glycerol Kinase Defizienz führt zu Hyperglycerolämie
= lebensbedrohliche metabolische Krisen mit
Entwicklungsretardierung und geistiger Behinderung
Therapeutische Optionen: low fat Diät, in akuten Situationen Glukoseinfusionen
und Kortikosteroide in Krisen
BEISPIEL 2
(Symptomlindernd)
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
Fallbericht: Patient mit komplexer Ataxie
Klinik: - 24 alter Patient konsanguiner Eltern,
- 1 Bruder ebenfalls betroffen
- Gangprobleme seit dem 19.Lj
- Progrediente Hörstörung
- Sensibilitätsstörungen und Verlust des
Temperaturempfindens in den Beinen
BEISPIEL 3:
Therapieführend
Diagnostik: - HSMN ausgeschlossen
- Friedreich ausgeschlossen
- Microarray
- Taubheit: GJB2, GJB6, SLC26A4
- SYNE1 (SCAR8: 148 Exons!)
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
Fallbericht: 128 Ataxiegenpanel
TWINKLE Mutation homozygot
AR IOSCA, normalerwiese vor dem 2.Lebensjahr manifest
Muskelschwäche
Athetose
Verlust der Sehenreflexe
Hörstörung
Augenlähmung, Optikusatrophie
Epileptische Encephalopathie Cave: bei Epilepsie kein
Valproat anwenden, da es
hier zu Leberversagen
kommen kann
BEISPIEL 3
Therapieführend
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Go et al. 2012: Next-generation sequencing facilitates the diagnosis in a child with twinkle
mutations causing cholestatic liver failure. J Pediatr Gastroenterol Nutr 54:291-4
• NGS in einem Kind mit geistiger Behinderung, Epilepsie und
Leberversagen
• Lebertransplantation wurde in Betracht gezogen
• WES identifizierte zwei Mutationen im TWINKLE Gen
• Progressive neurologische Erkrankung mit Leberbeteiligung
• Lebertransplantation hätte Grundkrankheit nicht gelindert
• Leber wär erneut betroffen worden
•
• Ärzte entschieden sich mit den Eltern gegen eine Lebertransplantation
aufgrund der schlechten Prognose
• Kind verstarb 6 Monate später
• Kind musste nicht unter der unnötigen Lebertransplantation leiden und es
konnte damit einem anderen Kind geholfen werden
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
Necessary!
BEISPIEL 4
Lebensentscheident
Auch wenn die Krankenkassen bisher die
Finanzierung von Gentests von einer
„clinical utility“
abhängig machen, müssen wir bei genetischen
Erkrankungen aufgrund der weitreichenden
familiären Konsequenzen auf das Prinzip der
„personal utility“
von Genominformationen umschwenken.
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen Foster et al. 2009: Evaluating the utility of personal genomic information. Genet Med 11:570-5
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Komplexität der Befunde bei NGS
BLINDBILD
18.000 DNA Varianten pro Patient
Wie sicher?
Wie viele nicht erfasst?
Wie klinisch relevant?
Befundbericht
1. Welche Daten werden im Befund aufgeführt?
2. Wie wird der Befund geschrieben?
3. Was kann in die Kostenberechnung
einfließen?
4. Wer zahlt für die Untersuchungen?
5. Welches klinische Board trifft Entscheidungen
über den Bericht und die Verifizierung von
Daten?
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
BLINDBILD
Genetic testing:
Minimize, Maximize or Personalize?
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
- Bei klarer klinischer Diagnose und einem kausalen Gen reicht eine
Einzelgenanalyse (Mukoviszidose, Chorea Huntington….)
- Realität: Mutationen in vielen Genen können klinisch „eine“
Erkrankung verursachen bzw. als „unterschiedliche“ Erkrankungen
manifestieren
- Manche Gene sind riesig (>150 Exone bei SYNE1)
Minimize?
Beispiele
- Ataxien: > 140 Gene
- Paraplegien: > 70 Gene
- Geistige Behinderung: > 1000 Gene
- Muskelerkrankungen: > 150 Gene
- Polyneuropathien: > 330 Gene (5600 exons)
- Taubheit: > 70 Gene (1300 exons)
- Ciliopathien: > 258 Gene (4700 exons)
- Retinitis pigmentosa: > 60 Gene (800 exons)
Patienten mit einer Seltenen Erkrankung wie auch Patienten mit einer unklaren Diagnose haben das selbe Recht auf eine korrekte Diagnose wie Patienten mit häufigen Erkrankungen!!!
Nur ~ 50% der Gene der jeweiligen Erkrankungsgruppe wurden bisher aufgeklärt!
BLINDBILD
Maximize? = WES/WGS
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
DIAGNOSTIK: „Whole Exome Sequencing“
Problem „Sequenziertiefe“ notwendig für diagnostische Detektionsrate
(momentant 25% „strike outs“)
Vorteile: - „Einzelpatienten“analyse möglich
- Mutationssuche auf dem neuesten Stand der
Krankheitsgene, auch nachträglich
- Klar definierte Phänotypen nicht mehr unbedingt
Voraussetzung
- auch anwendbar bei unklarem Krankheitsbild
- Aufdeckung von ca. 5% falscher Diagnosen mittels
herkömmlichen Methoden
Nachteile: - Umgang mit genetischen Zusatzbefunden unklar
Herausforderung der Humangenetik im
Zeitalter der Genomsequenzierung
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
James Watson‘s Genome
• Retinitis pigmentosa (PDE6B)
• Rod-cone-dystrophy (RPGRIP1)
• Usher Syndrom 1b (MYO7A)
• Metachromatic Dystrophy
• Cong. Nephrotic Syndrom
• Cockayne Syndrom (ERCC6)
• Myopathy (GNE)
• Glycogene storage disease
• Many other disease relevant
○ I want to be informed on „clinical relevant“ data not directly related to my condition x
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Aufklärung über
genetisch-diagnostische Daten:
Genetische Beratung
Ca.100 genetische Risikokonstellationen pro Individuum
Auch wenn man nur 15 min benötigen würde für eine Erkrankung / Krankheitsrisiko,
Würde der direkte Patientenkontakt 25 Stunden dauern!
Annahme, dass jeder Patient nur 5 Stunden konzentriert zuhören kann,
Würde man 5 Tage lang EINE Person genetisch beraten!
Die Aufarbeitung der Hintergrundinformation als Grundlage für die Beratung würde
ein Vielfaches mehr Zeit beanspruchen.
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Personalize?
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
NGS –
Krankheitsgruppenorientierte Genpaneldiagnostik
Vorteile: - Reduziert nicht-gewünschte Zusatzbefunde
- alle Daten sind potentiell Krankheitsrelevant
- Hohe diagnostische Sicherheit/Abdeckung
- Deutlich geringere Kosten im Vergleich zu
traditionellen Sanger Verfahren
- Deutlich schneller
- (Aufdeckung ungewöhnlicher Krankheitsverläufe)
Nachteile: - Design nicht flexibel
- Unterschiedliche Labore nehmen unterschiedliche
Genpanelzusammenstellungen
- Gendosis nocht nicht erfassbar
107 genes implicated in XLMR: ACSL4, AFF2, AGTR2, AIFM1, AP1S2, ARHGEF6, ARHGEF9, ARX*, ATP6AP2, ATP7A, ATRX, BCOR, BRWD3, CASK, CDKL5, CLCN4, CUL4B, DCX, DKC1, DLG3, DMD*, EIF2S3, FANCB, FGD1, FLNA, FMR1, FTSJ1, GDI1, GK, GPC3, GRIA3, HCCS, HCFC1, HDAC8, HPRT, HSD17B10, HUWE1, IDS, IGBP1, IKBKG*, IL1RAPL1, IQSEC2*, KDM5C, KIAA2022, KLF8, L1CAM, LAMP2, LAS1L, MAGT1, MAOA, MBTPS2, MECP2, MED12, MID1, MTM1, NAA10, NDP, NDUFA1, NHS*, NLGN3, NLGN4X, NSDHL, NXF5, OCRL, OFD1, OPHN1, OTC, PAK3, PCDH19, PDHA1, PGK1, PHF6, PHF8, PLP1, PORCN, PQBP1, PRPS1, PTCHD1, RAB39B, RAB40AL, RBM10, RPL10, RPS6KA3, SHROOM4, SLC6A8, SLC9A6, SLC16A2, SMC1A, SMS, SOX3, SRPX2, SYP, SYN1, THOC2, TIMM8A, TSPAN7, UBE2A, UPF3B, ZDHHC15, ZDHHC9, ZMYM3, ZNF41, ZNF674, ZNF711, ZNF81
Panel: 1 - 1222 Gene
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Genpaneldiagnostik
Always simple?
Fallbericht: 25 alter Patient
komplexe erbliche und progrediente spastische Lähmung
mit axonaler Polyneuropathie
MRI normal
Häufigsten Unterformen SPG4, SPG5, SPG3 ausgeschlossen…
Genpanel mit 62 Paraplegie-Gene
KIF5A = SPG10 Mutation
Diese Mutation wurde sowohl bei autosomal dominanter wie auch
autosomal rezessiver SPG10 beschrieben.
Risiko weiterer Kinder?
Sollte die Ehefrau für Mutationen in KIF5A getestet werden?
BEISPIEL 5
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
KIF5A = SPG10 Mutation
Zusätzlich, compound heterozygot für GCH1
die eine dopa-responsive Dystonie verursacht
Beide Mutationen wurde bereits in „cis“ und in „trans“ beschrieben
Trans: Patient hat zusätzlich auch eine dopa-responsive Dystonie
und benötigt dementsprechend Behandlung
oder wird Erkrankung noch entwickeln
Cis: Sollten wir seine Frau testen zur Bestimmung des
Risikos bei gemeinsamen Kindern?
Genpaneldiagnostik
Always simple? – Fortsetzung -
BEISPIEL 5
Schlussfolgerung
Neueste Sequenziertechnologien („Next Generation Sequencing“)
- (sind) ein wichtiger Bestandteil der medizinischen Diagnostik
- ermöglichen eine schnellere Diagnosefindung
- sind in aller Regel preiswerter als mehrere „klassische“ genetische
Untersuchungen
- ermöglichen für viele Patienten ein klareres Krankheitsmanagement
- sind Grundlage für therapeutische Intervention für zahlreiche seltene,
sonst nicht aufgedeckte Krankheitsbilder
- Aber es ist auch eine völlig neue Dimension der Bewertung der
erzielten Daten notwendig, die erfordern:
(i) eine gute Aufklärung der Patienten vor der Diagnostik
(ii) hochspezialisierte Teams einschließlich Genomanalytiker
bei der Generierung der Daten sowie
(iii) klinisch-genetische Teams bei der klinischen Interpretation
und Führung der Patienten.
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
The 20th century saw great advances in treatment
of infectious disease. Today in the 21st century, we
should be making similar gains against genetic
diseases, but we aren‘t attacking them as hard as
our predecessors did infectious disease.
Stephen Braddock, MD