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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


„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


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)


„Precision medicine“

erfordert

1. Wissen, was der Erkrankung

zugrunde liegt (Ursache)


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



erfordert

1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt

(Ursache)

2. Möglichkeit der einfachen,

spezifischen und kostengünstigen

Diagnostik (insb. molekulargen. D)


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


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


„Clinical Whole-Exome Sequencing for the

Diagnosis of Mendelian Disorders“


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



erfordert

1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt

(Ursache)

2. Möglichkeit der einfachen, spezifischen und

kostengünstigen Diagnostik

3. Möglichkeiten zur Behandlung der

Erkrankungen


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!“


ABER

- Diagnosesicherung führt zu Handlungsentscheidungen

- Verhindert unnötige (kostspielige) Diagnostik

- Ermöglicht Management von Erkrankungen auch wenn

keine unmittelbare Therapieentscheidung erfolgt


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 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


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)


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)


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!)


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


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


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

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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?


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Genetic testing:

Minimize, Maximize or Personalize?


- 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!

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Maximize? = WES/WGS


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


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


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?


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


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


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.



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

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