High-Quality SNP Array Genotyping from Ultralow Quantities of Maternal Plasma Cell-Free DNA During Pregnancy

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine geheime Botschaft zu lesen, die mit unsichtbarer Tinte geschrieben wurde, aber das Papier, das Sie in der Hand halten, ist winzig klein, in winzige Fetzen zerrissen und mit der Handschrift eines anderen bedeckt. Dies ist die tägliche Herausforderung eines speziellen Zweigs der Wissenschaft namens nicht-invasiver Pränataldiagnostik (NIPT). In diesem Bereich suchen Wissenschaftler im Blut einer schwangeren Person nach Hinweisen auf die Genetik des Babys. Die „Tinte“, nach der sie suchen, ist eine besondere Art von DNA, die sogenannte zellfreie DNA (cfDNA). Normalerweise schwebt diese DNA frei im Blutkreislauf, aber bei einer schwangeren Person ist sie eine Mischung: Etwa 85 % stammen von der Mutter, und nur 10–15 % kommen von der Plazenta (die wie ein Fenster zur Genetik des Babys fungiert).

Das Problem ist, dass diese „plazentare Tinte“ unglaublich knapp und zerbrechlich ist. Es ist, als würde man versuchen, einen Roman zu lesen, wenn man nur ein paar herausgerissene Seiten hat und der Großteil des Textes von einem anderen Autor geschrieben wurde. Normalerweise benötigt man, um eine genetische Geschichte klar zu lesen, einen riesigen Stapel DNA – wie eine ganze Bibliothek voller Seiten. Aber in dem Blut einer schwangeren Person ist die Bibliothek oft nur ein paar verstreute Seiten. Dieses Paper stellt eine kühne Frage: Können wir die Geschichte immer noch genau lesen, wenn wir nur eine winzige, winzige Menge dieser Seiten haben? Wenn dem so ist, würde es bedeuten, dass wir genetische Geheimnisse aus alten Blutproben entschlüsseln könnten, die zuvor als zu leer galten, um verwendet zu werden, und vielleicht die Pränataldiagnostik billiger und leistungsfähiger machen könnten.

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Die große DNA-Detektiv-Herausforderung

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern der University of Newcastle, ein hochriskantes Spiel namens „Wie wenig ist genug?“ zu spielen. Sie wollten sehen, ob sie in der Lage sind, den genetischen Code einer Person mithilfe einer Maschine namens SNP-Array (denken Sie an einen superschnellen, hochtechnologischen Scanner, der hunderte tausende genetische „Schalter“ überprüft) zu lesen, wenn sie nur eine mikroskopisch kleine Menge an DNA zur Verfügung haben.

Sie rekrutierten 30 gesunde schwangere Frauen und entnahmen ihnen Blut. Aus diesem Blut extrahierten sie zwei Arten von DNA: die „Haupt“-DNA aus den Zellen der Mutter (gDNA) und die „schwebende“ DNA aus dem Plasma (cfDNA). Dann spielten sie ein Spiel des abnehmenden Ertrags. Sie nahmen die DNA und verwendeten sie absichtlich in immer kleineren Mengen für ihre Tests. Sie versuchten es mit 200 ng, 50 ng, 40 ng, 30 ng und sogar so wenig wie 20 ng DNA. Zum Vergleich: 200 ng ist die „Standardmenge“, die Wissenschaftler normalerweise als notwendig erachten, um ein gutes Ergebnis zu erzielen. Die Forscher fragten im Grunde: „Können wir ein perfektes Bild mit nur einem winzigen Bruchteil davon erhalten?“

Die Ergebnisse: Ein Wunder mit einem Haken

Die Ergebnisse waren überraschend gut, aber mit einer Wendung, je nachdem, welche DNA sie untersuchten.

Zuer Sie war die „Haupt“-DNA (gDNA) ein absoluter Star. Das Team führte 83 Experimente mit dieser DNA durch. Selbst als sie die kleinste Menge verwendeten, die möglich war – nur 20 ng (was nur 10 % der empfohlenen Menge entspricht) – funktionierte der Scanner perfekt. Jedes einzelne dieser Experimente war ein Erfolg, mit einer durchschnittlichen „Call-Rate“ (einem Wert dafür, wie viele genetische Schalter erfolgreich gelesen wurden) von 99,16 %. Es war, als hätten sie versucht, ein Buch mit nur wenigen Seiten zu lesen, und der Scanner hätte jedes einzelne Wort perfekt gelesen.

Die „schwebende“ DNA (cfDNA) hingegen war etwas temperamentvoller. Dies ist die DNA, die tatsächlich die genetischen Hinweise des Babys enthält. Hier änderte sich die Geschichte leicht. Als sie 50 ng der cfDNA verwendeten, wurden alle Proben (10 von 10) erfolgreich gelesen, mit einer durchschnittlichen Call-Rate von 96,88 %. Das ist immer noch exzellent!

Aber als sie die Menge weiter senkten, wurde es wackelig. Als sie versuchten, nur 20 ng der cfDNA zu verwenden, funktionierten nur 9 von 12 Proben. Bei 30 ng funktionierten 12 von 13. Bei 40 ng funktionierten nur 8 von 13. Insgesamt waren nur 81,3 % der cfDNA-Experimente erfolgreich. Die Forscher fanden heraus, dass man, wenn man unter 50 ng für diese spezifische Art von DNA geht, beginnt, das Signal zu verlieren. Etwa 25 % der Zeit konnte der Scanner keine klare Lesung erfassen, egal wie sehr er es versuchte.

Der „Doppelcheck“-Test

Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse keine Glückstreffer waren, führten die Forscher einen „Doppelcheck“-Test durch. Sie nahmen dieselbe DNA-Probe und scannten sie zweimal, um zu sehen, ob die Ergebnisse übereinstimmten. Für die Haupt-DNA (gDNA) stimmten die Ergebnisse zu 100,00 % überein. Für die schwebende DNA (cfDNA) stimmten sie zu 99,89 % überein. Das bedeutet, dass die Ergebnisse, wenn der Scanner ein Resultat lieferte, unglaublich zuverlässig und reproduzierbar waren.

Was dies bedeutet (und was es nicht bedeutet)

Das Paper legt nahe, dass wir genetische Codes von schwangeren Frauen mit viel weniger DNA erfolgreich lesen können, als wir bisher dachten. Insbesondere 20 ng der Haupt-DNA und 50 ng der schwebenden DNA scheinen die „magischen Minimumwerte“ für ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu sein.

Die Autoren sind jedoch vorsichtig damit, dies bereits als gelöstes Problem für die ganze Welt zu bezeichnen. Sie merken an, dass die Technologie zwar in ihrem Labor funktioniert, wir aber noch herausfinden müssen, wie wir dies in echten Krankenhäusern und Kliniken anwenden können. Sie weisen auch darauf hin, dass die schwebende DNA etwas zerbrechlicher ist als die Haupt-DNA, wahrscheinlich weil sie in kleinere Stücke zerbrochen ist.

Kurz gesagt zeigt diese Studie, dass wir aus winzigen, kostbaren Blutproben viel mehr Informationen gewinnen können, als wir uns jemals vorgestellt haben. Es ist, als würde man entdecken, dass man einen ganzen Roman lesen kann, selbst wenn man nur ein paar zerrissene Seiten hat, solange man den richtigen Scanner besitzt und nicht versucht, mit zu wenigen Seiten zu lesen. Aber bevor wir damit beginnen, dies bei jeder Schwangerschaftsvorsorge anzuwenden, sagen die Wissenschaftler, dass wir erst noch Diskussionen darüber führen müssen, wie wir das in der realen Welt umsetzen können.