Humangenetische Diagnostik bei hereditären Augenerkrankungen

In der heutigen Zeit sind Einzelgenanalysen faktisch nur noch bei Erkrankungen indiziert, bei denen lediglich ein einziges Gen als ursächlich für einen pathognomonischen ophthalmologischen Phänotyp bekannt ist. Beispiele sind die X‑chromosomale Retinoschisis (RS1-Gen) oder makuläre Hornhautdystrophie (CHST6-Gen).

Als Panelanalyse wird die gleichzeitige Analyse der Gene, die mit einem bestimmten Krankheitsbild assoziiert sind, mittels NGS bezeichnet. Diese ist bei genetisch heterogenen Krankheitsbildern indiziert. Je nach Fragestellung kann die Anzahl der in einem Panel enthaltenen Gene stark variieren (z. B. bei Verdacht auf eine vitelliforme Makuladegeneration 4 Gene, bei primären Augenanlagestörungen oder Retinopathia pigmentosa mehr als 50 Gene). Panelanalysen finden bei der Abklärung genetisch bedingter Augenerkrankungen eine breite Anwendung. Die diagnostische Ausbeute ist jedoch je nach Patientenselektion und Fragestellung äußerst unterschiedlich. Bei den Stäbchen-Zapfen-Dystrophien beträgt die Klärungsrate mindestens 60 % [2], bei primären Augenanlagestörungen jedoch nur ca. 30 % [3]. Auch kann die Paneldiagnostik zum Einsatz kommen, um verschiedene Krankheitsbilder mit einem gemeinsamen Leitsymptom (z. B. Nystagmus) abzuklären, da auch zahlreiche verschiedene genetisch bedingte Erkrankungen parallel abgeklärt werden können.

In der Exomanalyse werden Bereiche der DNA (Desoxyribonukleinsäure) untersucht, die für Proteine kodieren. Nicht erfasst werden nicht kodierende Bereiche der Gene (Introns) und die DNA-Abschnitte „zwischen“ den Genen. Eine Exomanalyse umfasst nach aktuellem Kenntnisstand ca. 20.000 Gene und macht ca. 1–2 % der menschlichen DNA aus. Zum Teil wird zwischen einem „klinischen Exom“ (= alle bekannten Gene, die mit Krankheiten assoziiert sind, ca. 4000) und einem „whole exome“ (= alle bekannten Protein-kodierenden Gene auch ohne Krankheitsassoziation) unterschieden (Abb. 1). Die Auswertung einer solchen umfassenden Analyse erfolgt in der Regel anhand der sog. HPO(„Human Phenotype Ontology“)-Termini (Infobox). Eine Exomanalyse ist bei komplexen Phänotypen indiziert, die sich klinisch keiner bestimmten Entität zuordnen lassen [4]. Auch bei Patienten mit einem bestimmten klinischen Phänotyp, bei denen zuvor eine entsprechende Panelanalyse unauffällig war, kann eine Exomanalyse zielführend sein. Aufgrund der großen Anzahl an analysierten Genen sind gute phänotypische Angaben anhand der ophthalmologischen Befunde und auch aller extraokulären Symptome für eine qualitativ hochwertige Auswertung essenziell. Gerade bei komplexen kindlichen Phänotypen ist eine sog. Trio-Exom-Analyse sinnvoll, bei der neben dem Patienten auch die Eltern in die Analyse mit einbezogen werden. Dies erhöht die Aufklärungsrate um 10–15 %, da Sequenzvarianten der Indexpatienten besser interpretiert werden können und die Detektion von Varianten, die bisher nicht mit einer Erkrankung assoziiert sind, entscheidend verbessert wird [5].

Hier erfolgt eine Analyse des gesamten Genoms (ca. 3 Mrd. Basenpaare) inklusive der nicht kodierenden Sequenzen (Introns, DNA-Abschnitte zwischen den Genen). Durch die Genomanalyse werden sowohl Einzelnukleotidvarianten („Punktmutationen“, „single nucleotid variants“ [SNVs]) innerhalb und außerhalb der kodierenden DNA-Sequenzen erfasst, es können jedoch auch strukturelle Veränderungen wie insbesondere Deletionen und Duplikationen größerer DNA-Abschnitte erkannt werden (Kopienzahlveränderungen, „copy number variants“ [CNVs]). Auch nicht kodierende DNA-Bereiche können krankheitsverursachende Veränderungen z. B. in regulatorischen Elementen enthalten. Jedoch gibt es aktuell noch große Wissenslücken über die Bedeutung dieser Elemente, und Varianten in diesen Bereichen können in der Mehrzahl nicht sicher hinsichtlich ihrer Auswirkung beurteilt werden, sodass der diagnostische Mehrgewinn durch eine Genomsequenzierung derzeit noch gering ist und sich insbesondere auf spezifische Fragestellungen beschränkt, bei denen durch eine Exomanalyse vorerst keine Diagnose gestellt werden konnte.

Weitere humangenetische Diagnostikmethoden (u. a. die klassische Chromosomenanalyse, Microarray-Analysen, MLPA(„multiplex ligation-dependent probe amplification“)-Analysen, Methylierungsanalysen sowie spezielle NGS-basierte Analysen) spielen in der Routinediagnostik genetisch bedingter Augenerkrankungen derzeit nur eine untergeordnete Rolle.

Bei bestimmten Genen sind die ursächlichen Varianten tief in den nicht kodierenden Bereichen, den sog. Introns, lokalisiert. Ein typisches Beispiel dafür ist die in der europäischen Gesellschaft häufigste Ursache für eine Lebersche kongenitale Amaurose, die pathogene Veränderung im CEP290-Gen c.2991+1655A>G [6], die inzwischen spezifischen Therapieformen im Rahmen von Studien zugänglich ist. In einer reinen Exom-basierten Analyse werden solche tief intronischen Varianten unter Umständen nicht erfasst, sodass sie beim Design des Genpanels berücksichtigt werden müssen.

Zum Teil haben die krankheitsassoziierten Gene Regionen, die in den NGS-basierten Analyseverfahren nur schwer dargestellt werden können. Ein Beispiel ist der hochrepetitive Bereich ORF15 im RPGR-Gen, in dem mehr als 50 % der ursächlichen Varianten liegen; dies muss spezifisch in der Auswertung berücksichtigt werden [7]. Ein weiteres Beispiel sind sog. Repeat-Expansionen (z. B. TCF4-assoziierte Fuchs-Endotheldystrophie), die mit einer ergänzenden Analyse abgeklärt werden müssen [8]. Ein weiteres Beispiel sind Gene mit sog. Pseudogenen, bei denen die Sequenz von Gen und Pseudogen, das jedoch nicht exprimiert wird, weitestgehend übereinstimmt, und die sichere Unterscheidung und Variantenzuordnung erschwert (z. B. CEP290-assoziierte Netzhautdystrophie). Insgesamt können die oben genannten Schwierigkeiten bei zahlreichen verschiedenen Genen bzw. Krankheitsbildern auftreten, sodass dies vom Labor in der Erstellung und Auswertung der Diagnostik individuell beachtet werden muss.

An erster Stelle ist eine humangenetische Diagnostik für die betroffenen Patienten wichtig, um eine eindeutige Diagnose zu erhalten bzw. in speziellen Fällen auch auszuschließen und dem Kausalitätsbedürfnis der Patienten Genüge zu tun. Zum Teil können weitere diagnostische Untersuchungen so eingespart werden. Die molekulare Zuordnung ermöglicht eine Aussage bezüglich Erbgang, Wiederholungsrisiko und Risikopräzisierung für die Angehörigen [9]. Die molekulargenetischen Befunde werden zunehmend in den Klassifikationen bestimmter Krankheitsbilder aufgegriffen, was eine bessere ätiologische Zuordnung des Phänotyps erlaubt. Als Beispiel sind hier u. a. die epithelial-stromalen TGFBI-assoziierten Hornhautdystrophien [10] zu nennen, da eine rekurrente pathogene Variante in TGFBI klinisch zahlreiche verschiedene Phänotypen verursachen kann (u. a. Reis-Bücklers, Thiel-Behnke, gittrige sowie granuläre Hornhautdystrophie).

Gerade in der Augenheilkunde können zahlreiche Krankheitsbilder sowohl isoliert vorliegen als auch (erstes) Symptom eines übergeordneten Syndroms mit weiteren systemischen Komorbiditäten sein. Da Letztere zum Teil zusätzlicher Vorsorgeuntersuchungen bedürfen bzw. auch durch rechtzeitige Intervention schwere Komplikationen vermeidbar sind, ist eine frühzeitige molekulargenetische Abklärung essenziell. Dies ist insbesondere bei der kongenitalen Katarakt [11], der Retinopathia pigmentosa [12], bei Vorliegen einer hohen Myopie [13] und einem kongenitalen Nystagmus [14] von hoher Bedeutung.

Die klinisch drängendste Frage bei Patienten mit hereditären Augenerkrankungen ist häufig die nach der Visusprognose. Anhand der molekularen Ursache kann zum Teil eine gewisse Prognose getroffen werden, so z. B. bei den Netzhautdystrophien [15]. Diese prognostische Aussage ist insbesondere bei Kindern und Jugendlichen von massiver Relevanz für die weitere Betreuung sowohl in der Schule als auch für die Planung der Berufslaufbahn.

Die Abklärung therapeutischer Optionen ist aktuell sicherlich eine der wichtigsten Indikationen für eine humangenetische Abklärung. Zunehmend ergeben sich anhand der molekularen Grundlage der Erkrankung Therapieoptionen. Erste zugelassene Therapien sind die Behandlung der Leberschen Optikusneuropathie (LHON) mit Idebenone [16] und der RPE65-assoziierten Netzhautdystrophien mit Voretigen Neparvovec [17], es finden aktuell zahlreiche Therapiestudien statt [18]. Neben diesen kausalen Therapieoptionen lassen sich auch andere therapeutische Optionen bei bestimmten genetischen Varianten ableiten wie eine diätische Anpassung (Eiweiß‑/Arginin-arme Kost) bei pathogenen Varianten im OAT-Gen (Atrophia gyrata) [19]. Nicht nur bei Netzhautdystrophien, auch bei bestimmten anderen hereditären Augenerkrankungen sind vielversprechende Therapiestudien durchgeführt worden, u. a. bei der PAX6-assoziierten Aniridie [20].

Dem primären kongenitalen Glaukom liegt eine fehlerhafte Entwicklung des Trabekelwerks zugrunde, die zu einem gestörten der Abfluss des Kammerwassers führt, was typischerweise durch Varianten in CYP1B1 verursacht wird [21]. Eine Differenzialdiagnose stellen die hereditären Vorderkammerdysgenesien, die mit eine Anlagestörung von Hornhaut, Kammerwinkel, Iris und Linse assoziiert sind, dar – darunter insbesondere auch das klinische Bild des Axenfeld-Rieger-Syndroms. Typische klinische Befunde sind eine nach anterior verlagerte Schwalbe-Linie (Embryotoxon posterius), periphere vordere Synechien sowie häufig Irisfehlbildungen (Korektopie, Polykorie). Aufgrund der fehlerhaften Kammerwinkelanlage besteht ein Glaukomrisiko von etwa 50 %, das Glaukom kann bereits kongenital manifest sein. Die phänotypische Ausprägung ist – auch innerhalb einer Familie – extrem variabel, die okulären Befunde können asymmetrisch sein. Ursächlich sind primär pathogene Varianten in den Genen FOXC1 und PITX2 [22]. Weitere klinische Entitäten, die den Vorderkammerdysgenesien zugeordnet werden, sind u. a. die Aniridie (PAX6) und Peters-Anomalie.

Eine kongenitale Katarakt liegt oft isoliert vor; hier sind u. a. Gene ursächlich, die die Crystallin-Proteine kodieren, oft sind mehrere Familienmitglieder – in unterschiedlicher Ausprägung – betroffen. Eine humangenetische Abklärung bei Vorliegen einer kongenitalen Katarakt dient insbesondere der sicheren Zuordnung bzw. dem Ausschluss einer komplexeren syndromalen Grunderkrankung [11, 23]. Diese Zuordnung ist auch für die Visusprognose wichtig, z. B. liegen bei einer PAX6-assozierten Katarakt meist auch eine Makulahypoplasie sowie ein erhöhtes Glaukomrisiko (Vorsorgeempfehlung) vor, sodass auch nach frühzeitiger Operation ein dauerhaft reduzierter Visus zu erwarten ist. Patienten mit einer COL4A1-assoziierten Katarakt haben zusätzlich u. a. zeitlebens ein deutlich erhöhtes Risiko für zerebrovaskuläre Blutungen und Schlaganfälle. Bei Vorliegen eines CCFDN(„congenital cataract-facial dysmorphism-neuropathy“)-Syndroms bestehen bei den Betroffenen ein erhöhtes Narkoserisiko sowie oft eine Neuropathie. Die Abb. 2 zeigt einen Überblick über Ursachen einer kongenitalen Katarakt, die in unserem Kollektiv von 30 Säuglingen bzw. Kleinkindern mit kongenitaler Katarakt festgestellt wurden.

Auch eine Linsenluxation kann sowohl isoliert vorliegen (häufigste Ursache sind pathogene Varianten im ADAMTSL4-Gen) als auch im Rahmen von komplexen Syndromen, insbesondere dem Marfan-Syndrom (FBN1-Gen), bei dem ein deutlich erhöhtes Risiko für potenziell lebensbedrohliche Komplikationen (Aortendissektion, Herzrhythmusstörungen) besteht. Nur durch eine molekulargenetische Abklärung kann sicher zwischen einem Marfan-Syndrom und einer isolierten Linsenluxation unterschieden werden [24], daher ist sie inzwischen auch Bestandteil der revidierten Ghenter-Diagnosekriterien für das Marfan-Syndrom [25].

Generell wird von einer frühmanifesten Myopie („early-onset high myopia“ [eoHM]) bei einer Refraktion > −6 dpt vor dem Schulalter gesprochen [26]. Allerdings lässt sich diese Definition nicht als einziges Kriterium für eine Indikation zur molekulargenetischen Abklärung heranziehen. Bereits eine Refraktion von über −3 dpt im Kleinkindalter kann Hinweis auf zahlreiche verschiedene syndromale Krankheitsbilder sein. Hierzu zählen insbesondere Bindegewebserkrankungen wie das Stickler-Syndrom (Arthroophthalmopathie); neben einer hohen Myopie liegt ein deutlich erhöhtes Risiko für Netzhautablösungen vor, weshalb bei den betroffenen Patienten regelmäßige Funduskontrollen und genaue Aufklärung über die Symptome retinaler Foramen indiziert sind [27]. Ursächlich sind am häufigsten pathogene Varianten im Gen COL2A. Beim Marfan-Syndrom (s. oben) kann Myopie ebenfalls das erste Krankheitssymptom sein. Auch sind bestimmte Netzhautdystrophien mit einer hohen Myopie assoziiert, z. B. die RPGR-assoziierte Netzhauterkrankung [28].

Unter dem Oberbegriff der erblichen Netzhautdystrophien werden verschiedene, meist progrediente Netzhauterkrankungen zusammengefasst, u. a. die Stäbchen-Zapfen-Dystrophie und Retinopathia pigmentosa (RP), die monogenen Makuladystrophien und Zapfendystrophien und die chorioretinalen Atrophien. Bestimmte Entitäten lassen sich klinisch eindeutig zuordnen (z. B. RP oder vitelliforme Makuladystrophie). Es handelt sich um eine sehr heterogene Gruppe von Erkrankungen, bisher wurden ursächliche Varianten in über 200 Genen beschrieben [1]. Bei bestimmten klinischen Bildern ist anhand der Befunde eine gewisse Eingrenzung molekularer Ursachen möglich. So sind bei einer vitelliformen Makuladystrophie (bzw. Morbus Best) pathogene Varianten in nur 4 Genen beschrieben (BEST1, PRPH2, IMPG1, IMPG2) [29]. Andere Krankheitsbilder wie die klassische RP sind jedoch mit > 80 krankheitsassoziierten Genen deutlich heterogener. Durch den zunehmenden Einsatz molekulargenetischer Diagnostik bei betroffenen Patienten ist bekannt, dass Veränderungen in bestimmten Genen auch unterschiedliche Phänotypen verursachen können [30]. So können pathogene Varianten in den Genen RPGR, ABCA4 und PRPH2 sowohl eine früh manifeste RP auch eine Zapfendystrophie verursachen. Bei bestimmten Erkrankungen ergeben sich erste kausale Therapieoptionen (RPE65-assoziierte Netzhauterkrankung); weitere Therapiestudien sind in Durchführung bzw. geplant [18]. Auch kann eine RP im Rahmen syndromaler Erkrankungen wie dem Bardet-Biedl-Syndrom, Usher-Syndrom oder Alström-Syndrom auftreten. Hierbei sind in aller Regel zusätzliche Vorsorgeuntersuchungen indiziert, um Komplikationen in anderen Organsystemen (u. a. terminale Niereninsuffizienz) vorzubeugen [31]. Eine humangenetische Abklärung wird auch in den aktuellen Leitlinien (AWMF: 045/023 erbliche Netzhaut, Aderhaut und Sehbahnerkrankungen) individuell empfohlen.

Am häufigsten sind die OPA1-assoziierte Optikusatrophie sowie die Lebersche Optikusneuropathie; in aller Regel liegt den hereditären Optikusatrophien eine Funktionsstörung der Mitochondrien zugrunde [32]. Die OPA1-assoziierte Optikusatrophie (ADOA) zeichnet sich durch einen frühen Beginn mit langsamer Progredienz aus. Typischerweise manifestiert sich die ADOA bereits im Kleinkindalter, die Sehbehinderung bleibt gewöhnlich moderat. Die Lebersche hereditäre Optikusneuropathie (LHON) manifestiert sich gewöhnlich als subakuter Visusverlust entweder synchron oder zunächst unilateral, wobei regelhaft das zweite Auge im Verlauf ebenfalls einen Visusverlust entwickelt. Die Mehrheit der Patienten sind junge Männer, es gibt es auch atypische Verläufe mit späterem Beginn bzw. Manifestation im Kindesalter. Zuletzt wurden bei Patienten mit LHON neben mitochondrialen Varianten auch Varianten im Kern-kodierten Gen DNAJC30 beschrieben [33]. Für die LHON ist die Therapie mit Idebenone zugelassen [16], zudem gibt es Gentherapiestudien. Bei der molekulargenetischen Abklärung ist essenziell, dass explizit die Differenzialdiagnose LHON an das Labor übermittelt wird, da die mitochondriale DNA bei vielen Panelanalysen noch nicht in der Routine miterfasst wird. Die Tab. 1 zeigt einen Überblick über häufige Ursachen einer monogenen Optikusatrophie.

Ein kongenitaler Nystagmus kann isoliert vorliegen, ist jedoch häufig erstes klinisches Symptom einer übergeordneten Erkrankung. Diese kann auf das Auge beschränkt sein, jedoch ist ein Nystagmus auch bei vielen komplexen – insbesondere neurologischen – Krankheitsbildern oft das erste Symptom. Die Diagnose eines isolierten Nystagmus kann erst erfolgen, wenn alle anderen Ursachen eines Nystagmus umfangreich abgeklärt wurden [14]. Die Abklärung bedarf einer umfassenden augenärztlichen Untersuchung inklusive Elektrophysiologie und optischer Kohärenztomographie (OCT) sowie einer (neuro)pädiatrischen Mitevaluation und Bildgebung (kranielle Magnetresonanztomographie [MRT]). Diese Untersuchungen sind jedoch gerade bei sehr kleinen Kindern nicht unkompliziert, bedürfen der Kooperation der Kinder oder Narkose [34]. Die Tab. 2 und Abb. 3 zeigen einen Überblick über molekulare Ursachen und Differenzialdiagnosen eines Nystagmus. Bei gleichem Leitsymptom haben die verschiedenen Entitäten höchst unterschiedliche Visusprognosen, okuläre und extraokuläre Komorbiditäten und therapeutische Konsequenzen. Eine molekulargenetische Abklärung sollte frühzeitig in den diagnostischen Ablauf miteinbezogen werden, da ggf. aufwendige diagnostische Untersuchungen (z. B. Elektrophysiologie, Bildgebung) nicht erforderlich sind und eine diagnosenspezifische Betreuung der Patienten erfolgen kann.