Multidisziplinäre Diagnostik von Entwicklungsstörungen: Grundlage der „personalized precision medicine“

Entwicklungsstörungen gehen mit einer erniedrigten Fruchtbarkeit bzw. Reproduktion einher [6]. Aufgrund des negativen Selektionsdrucks ist davon auszugehen, dass genetische Varianten, die ein hohes Risiko für das Auftreten einer Entwicklungsstörung beinhalten, in der Allgemeinbevölkerung selten sind. Die hohe Rate von seltenen de novo, also neu auftretenden, nichtvererbten genetischen Varianten im Zusammenhang mit Entwicklungsstörungen unterstützt diese Theorie.

Die Deciphering Developmental Disorders Study (DDDS, [1]) zeigte, dass in Individuen mit schwerer, ungeklärter Entwicklungsstörung „damaging“ Varianten in entwicklungsrelevanten Genen gehäuft auftreten. In dieser großen DDDS-WES-Studie wurden die Daten von > 4000 Individuen mit Entwicklungsstörungen mit den Daten aus einer Metaanalyse einer vergleichbaren Zahl von Individuen ohne derartige Erkrankungen kombiniert. Hierbei identifizierte die DDDS 94 Gene, in denen „damaging“de novo Varianten gehäuft auftreten und die sich somit als Kandidatengene für Entwicklungsstörungen qualifizieren. (Von Krankheitsgenen spricht man erst, sobald der Zusammenhang zwischen einem Gen und einer Krankheit in mindestens zwei unabhängigen Studien bzw. in einer ausreichend großen Kohorte erbracht wird.) Die Autoren schätzen, dass ungefähr 42 % der Teilnehmer krankheitsverursachende „damaging“ De-novo-Varianten in kodierenden Genabschnitten aufweisen. Von diesen Varianten wird angenommen, dass ungefähr die Hälfte die Genfunktion vollständig zerstört und die restlichen die Genfunktion nachhaltig verändern. Hieraus schlussfolgern die Autoren, dass de novo Varianten in ungefähr der Hälfte aller schweren Entwicklungsstörungen ursächlich sind. Gleiches konnte in einer Studie zu ASD gezeigt werden, bei der sich bei 5,2 % aller Patienten eine Anreicherung seltener De-novo-Varianten fand, im Vergleich zu 1,6 % der nichtbetroffenen Geschwister [8].

Diese Zahlen unterstützen auch die Hypothese eines Kontinuums der Entwicklungsstörungen, beginnend mit sehr hohen Raten seltener „damaging“ De-novo-Varianten in den schweren frühkindlich beginnenden Entwicklungsstörungen, abflachend zu den psychiatrischen Erkrankungen mit niedrigeren Raten und dabei einem erhöhten Einfluss von Umweltfaktoren („gradient hypothesis“), Abb. 2.

Dieses Phänomen und seine praktische Bedeutung lässt sich am Beispiel pathogener Varianten des SCN2A-Gens illustrieren. Das SCN2A-Gen kodiert eine Untereinheit des „neuronal voltage-gated sodium channel NaV1.2“. Pathogene Varianten des SCN2A-Gens sind als Ursache eines weiten Spektrums von Entwicklungsstörungen bekannt, einschließlich der benignen familiären neonatal/infantilen epileptischen Anfälle, verschiedener Formen der frühen infantilen epileptischen Enzephalopathie („early infantile epileptic encephalopathy“, EIEE) und ASD/ID mit oder ohne epileptische Anfälle. Varianten mit einem Funktionsgewinn („gain of function“, GoF) resultieren in einer gesteigerten Aktivität des Natriumkanals und sind mit dem infantilen Beginn einer Epilepsie assoziiert, wohingegen Varianten mit einem Funktionsverlust („loss of function“, LoF) zu einer verminderten Funktion des Natriumkanals führen und sich als ASD oder DD/ID (mit/ohne Epilepsie) präsentieren. Der Vollständigkeit halber soll erwähnt sein, dass auch eine periodische Ataxie zum Spektrum der SCN2A-Erkrankungen gehört. Diese Genotyp-Phänotyp-Assoziationen können bei der Vorhersage der Art und Schwere des resultierenden klinischen Verlaufs helfen.

Neben diesem Neuauftreten als häufigstem „Vererbungsmodus“ spielen auch andere Vererbungsmodi eine wichtige Rolle beim Auftreten von Entwicklungsstörungen. Kürzlich konnte in einer Studie gezeigt werden, dass ca. 1 % aller europäischen Paare das genetische Risiko haben, ein Kind mit einer autosomal-rezessiv (AR) vererbten genetischen Erkrankung zu bekommen. Dieses Risiko steigt auf 16,5 % in konsanguinen Partnerschaften [3]. Die Daten beruhen auf der Auswertung von > 6400 WES-Analysen, bei der festgestellt wurde, dass jeder Teilnehmer mindestens 2 pathogene Varianten in bekannten Krankheitsgenen trägt. Diese Daten sind insbesondere in der präkonzeptionellen Beratung von konsanguinen Paaren wichtig. Eine weitere Studie derselben Autoren [7] konnte diese theoretischen Annahmen bestätigen. In den präkonzeptionellen WES-Analysen von 100 konsanguinen Paaren wurden in 28 Paaren bei beiden Partnern AR-Varianten nachgewiesen, die folglich ein 25 %-Risiko beinhalten, ein Kind mit dieser Krankheit zu bekommen.

Aufgrund der Behandlungsmöglichkeiten sind angeborene Stoffwechselerkrankungen („inborn metabolic diseases“, IMD) als Beispiel für AR vererbte Entwicklungsstörungen zu nennen. Im Rahmen des Treatable-Intellectual-Disability(Treat-ID)-Projekts wurden 116 IMD identifiziert, für die eine evidenzbasierte Behandlung beschrieben ist. Diese Interventionen sind häufig ebenso überraschend günstig, nebenwirkungsarm wie effektiv und umfassen neben spezielle Diäten Vitamingaben oder die Anwendung anderer Nahrungsergänzungsmittel. Die website www.​treatable-id.​org (ebenso die gleichnamige kostenlose App, erhältlich für Apple und Android) listet alle Erkrankungen, die zugrunde liegenden Krankheitsgene, diagnostische Tests und Behandlungsmöglichkeiten auf.

Die Suche in der Datenbank Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) mit dem Begriff „(neuro)developmental disorder“ liefert aktuell (April 2021) > 546 Einträge für Krankheitsbilder, in deren phänotypischer Beschreibung der Begriff Entwicklungsstörung vorkommt und für die der zugrunde liegende genetische Defekt bekannt ist. Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass Entwicklungsstörungen auch aufgrund anderer (mono)genetischer Varianten z. B. der mitochondrialen DNA oder aufgrund von intragenischen Expansionen von Basentripletts (z. B. Fragiles-X-Syndrom) entstehen können, und dass epigenetische Phänomene („Imprinting“-Erkrankungen wie das Prader-Willi‑/Angelman-Syndrom) ein Rolle spielen. Diesen Beispielen für monogenetische Erkrankungen liegen meist „single nucleotide variants“ (SNV, Substitution, Deletion oder Duplikation eines einzelnen Basenpaars) zugrunde. Daneben ist zu beachten, dass auch „copy number variants“ (CNV, z. B. Mikrodeletionssyndrome, detektierbar mithilfe des WES oder chromosomaler Microarrays) oder Chromosomenaberrationen (z. B. Trisomie 21, detektierbar mithilfe der Karyotypisierung) Entwicklungsstörungen verursachen können. Dies ist wichtig bei der Auswahl der diagnostischen Methoden (auch im WES lassen sich nicht alle Krankheiten „sehen“), soll aber hier nicht weiter vertieft werden (einen Überblick bietet [12]).

Nach Erhebung der anthropometrischen Daten (und Ausschluss einer Infektion) in der allgemeinen Ambulanz erfolgt die Aufnahme in die Tagesklinik. Nacheinander (8.30–11.00 Uhr) finden die ausführliche Erhebung der Vorgeschichte/die Sichtung der Vorbefunde, die Anamnese sowie die körperliche Untersuchung durch jeweils einen Facharzt für Kinder- und Jugendheilkunde (KJH) mit Spezialisierung auf angeborene Stoffwechselerkrankungen (S.B.W., J.S.) und Neuropädiatrie (M.P., K.S., J.K., C.R.) statt, ebenfalls erfolgt ein Konsil durch einen Facharzt für Humangenetik (E.F.). Jeder Facharzt legt den Nachdruck auf sein Fachgebiet, z. B. durch die neurologische Untersuchung (Neuropädiatrie) bzw. das Anfertigen des ausführlichen Stammbaums über 3 Generationen, das Beschreiben und Festlegen von (fazialen) Dysmorphien (Humangenetik) etc.

Um 11.30 Uhr treffen sich die genannten Kollegen mit dem Laborleiter (J.A.M.), um gemeinsam die weiteren diagnostischen Schritte festzulegen. Im Anschluss bespricht die Koordinatorin (S.B.W.) die erhobenen Daten und das weitere Vorgehen mit den Eltern, holt die Einverständnisse für die genetischen Untersuchungen ein und führt die Blutabnahmen bei Kind und Eltern durch. Sobald die WES-Daten ausgewertet und befundet (R.G.F, J.A.M, S.B.W) sind, werden die Eltern zur Befundbesprechung (M.P,. S.B.W.) eingeladen.

Die Karyotypisierung (Auflösung 5–15 Mb), ein niedrig auflösender „whole genome approach“, wird genutzt, um Mono‑, Trisomien oder andere große chromosomale Imbalancen zu diagnostizieren. Zur Entdeckung kleinerer CNV eignet sich die Methode der genomischen Microarrays (Auflösung ca. 50–100 kb). Hiermit lassen sich CNVs an jeder Position im Genom entdecken, einschließlich rekurrenter Varianten, assoziiert mit Mikrodeletions‑/Mikroduplikationssyndromen (z. B. Williams-Beuren‑, Smith-Magenis-Syndrom). Eine Metaanalyse von 30 Studien zur Diagnostik von Entwicklungsstörungen konnte jedoch zeigen, dass die diagnostische Ausbeute („diagnostic yield“) der genomischen Microarrays mit 15–20 % gering ist [11]. Die Studie zeigte des Weiteren, dass die diagnostische Ausbeute mithilfe des WES mit 36 % (31 % für isolierte Entwicklungsstörung und 53 % für Entwicklungsstörung mit assoziierten Symptomen, wie z. B. Epilepsie) deutlich höher ist. (Außerdem ist die CNV-Analyse heutzutage auch aus WES-Daten möglich [5] und in vielen genetischen Laboren in den Auswertungsalgorithmus („diagnostic pipeline“) der WES integriert.)

Daher wird, entsprechend dem publizierten „consensus statement“ [11], im Rahmen der Murmeltiersprechstunde ein „WES-first“-Ansatz verfolgt. Da eine Karyotypisierung schnell und kostengünstig verfügbar ist, wird diese vorab durchgeführt, um mithilfe der WES nicht entdeckte Chromosomenaberrationen auszuschließen.

Die Methode des WES wurde ausführlich in der Monatsschrift Kinderheilkunde beschrieben [12]. Hierzu werden ca. 3–5 ml mit Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) versetztes Blut benötigt (bei Säuglingen genügen 2 ml). Die generierten WES-Daten zeigen alle Abweichungen von der Referenzsequenz; diese werden als Varianten bezeichnet. Im Mittel finden sich bei jedem Menschen ca. 30.000 Varianten in den proteinkodierenden DNA-Abschnitten (Exonen) bzw. an den Exon-Intron-Grenzen. Die Mehrzahl dieser Varianten ist nicht krankheitsrelevant, es bedarf daher verschiedener Filterschritte. Zunächst wird geprüft, ob sich Varianten in bekannten OMIM-gelisteten Krankheitsgenen finden; häufig wird diese Suche als „klinisches WES“ bezeichnet. Abhängig von der Einschätzung der Variante kann diese direkt als pathogen berichtet werden. Bei einer „Variante unklarer Signifikanz (VUS)“ sind ergänzende funktionelle Untersuchungen z. B. in Fibroblasten und/oder eine erneute/erweiterte Phänotypisierung des Patienten notwendig, um diese als krankheitsverursachend einzustufen. Oben genannte Schritte werden sowohl unter den Annahmen eines autosomal-dominanten (AD), eines AR, eines X‑gebundenen und mtDNA-bezogenen Vererbungsmodus durchgeführt. Zusätzlich wird aus den WES-Daten eine CNV-Analyse durchgeführt.

Generell ist ein Eltern-Kind(Trio)-WES leichter auszuwerten, da sofort ersichtlich ist, ob z. B. 2 Varianten beim Kind biallelisch vorliegen oder eine Variante de novo entstanden ist. Prinzipiell ist es aber auch möglich, einzelne Varianten im „single WES“ zu priorisieren und diese bei den Eltern gezielt mithilfe der Sanger-Sequenzierung zu untersuchen.

Finden sich in den bekannten krankheitsrelevanten Genen keine Varianten, die ursächlich mit dem Phänotyp des Patienten in Zusammenhang gebracht werden können, folgt die Suche nach potenziell pathogenen Varianten in allen Genen.