Prof. Dr. Olaf Rieß

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
Effizienzzuwachs der
Next Generation Sequenziertechnologie
1st generation
2nd generation
Roche / 454
Genome Sequencer FLX
400 Mb / run (8h)
Applied Biosystems
3730xl
0,08 Mb / run
1 Mb / 24 h
Applied Biosystems
SOLiD
3000 Mb / run
(120h)
1000 : 1
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Illumina / Solexa
Genetic Analyzer
2000 Mb / run (96h)
„Disruptive
technological enablers in Health Care“
1. Molekulargenetische Diagnostik
2. Bildgebung
3. Telekommunikation
USA: ca. 17-29$ Mrd. pro Jahr
aufgrund einer falschen Diagnose
verursacht
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
Wandel der Humangenetik in Zeiten der
Genomsequenzierung
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…)
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
Wandel der Humangenetik in Zeiten der
Genomsequenzierung
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
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
Nachteil: - „unflexible
Genvorgabe“
FANCC
FANCD2
FANCE
FANCF
unterschiedlich
zwischen den Laboren
FANCG - Auswahl
FANCP
MEN1
MLH1
MRE11A
MSH1
MSH2
MSH3
Notwendigkeit: neue Generation an Humangenetikern
MHS6
MUTYH
NBN
PALB2
(Genomanalytiker mit hohem klinischen Verständnis)
PMS1
PMS2
PRSS1
PTCH1
PTEN
RAD50
RAD51
RAD51B
RAD51C
RAD51D
RBBP8
RET
SMAD4
STK11
TP53
TP53BP1
UIMC1
VHL
XRCC2
XRCC3
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
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“
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!
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Yang et al. 2013, NEJM
„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 !
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
Die neue Rolle
der
Medizinischen Genetik
bei
Therapieentscheidungen
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
BEISPIEL 1:
Heilend
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
• 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 !!
Necessary!
Worthey
etMedizinische
al. 2011Genetik
„XIAP
in inflammatory bowel disease“ Genet Med
Olaf Riess,
Uni deficiency
Tübingen
BEISPIEL 2
(Symptomlindernd)
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“
Olaf Riess, Medizinische
Genetik Uni Tübingen
BEISPIEL 2
(Symptomlindernd)
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
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
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
BEISPIEL 3:
Therapieführend
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
Diagnostik: - HSMN ausgeschlossen
- Friedreich ausgeschlossen
- Microarray
- Taubheit: GJB2, GJB6, SLC26A4
- SYNE1 (SCAR8: 148 Exons!)
BEISPIEL 3
Therapieführend
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 4
Lebensentscheident
A new role of Medical Genetics in clinical guiding
• 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!
Go et al. 2012: Next-generation sequencing facilitates the diagnosis in a child with twinkle
mutations
liver failure. J Pediatr Gastroenterol Nutr 54:291-4
Olaf Riess, causing
Medizinische cholestatic
Genetik Uni Tübingen
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.
Foster
al.Medizinische
2009: Evaluating
the utility of personal genomic information. Genet Med 11:570-5
Olaf et
Riess,
Genetik Uni Tübingen
BLINDBILD
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?
Minimize?
- Bei klarer klinischer Diagnose und einem kausalen Gen reicht eine
Einzelgenanalyse (Mukoviszidose, Chorea Huntington….)
-Patienten
Realität: Mutationen
vielen Genen
können klinisch
„eine“
mit einerinSeltenen
Erkrankung
wie auch
Erkrankung
bzw. als Diagnose
„unterschiedliche“
Patienten verursachen
mit einer unklaren
haben Erkrankungen
das selbe Recht
manifestieren
auf eine korrekte Diagnose wie Patienten mit
Erkrankungen!!!
-häufigen
Manche Gene
sind riesig (>150 Exone bei SYNE1)
Beispiele
- Ataxien:
> 140 Gene
- Paraplegien:
> 70 Gene
Nur ~ 50%
der Gene
der jeweiligen> Erkrankungsgruppe
wurden bisher aufgeklärt!
- Geistige
Behinderung:
1000 Gene
- Muskelerkrankungen: > 150 Gene
- Polyneuropathien:
> 330 Gene (5600 exons)
- Taubheit:
> 70 Gene (1300 exons)
- Ciliopathien:
> 258 Gene (4700 exons)
Olaf Riess,
Medizinische pigmentosa:
Genetik Uni Tübingen
- Retinitis
> 60 Gene (800 exons)
BLINDBILD
Maximize?
= WES/WGS
Herausforderung der Humangenetik im
Zeitalter der Genomsequenzierung
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
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
James Watson‘s Genome
○x I want to be informed on „clinical relevant“ data not directly related to my condition
• Retinitis pigmentosa (PDE6B)
• Rod-cone-dystrophy (RPGRIP1)
• Usher Syndrom 1b (MYO7A)
• Metachromatic Dystrophy
• Cong. Nephrotic Syndrom
• Cockayne Syndrom (ERCC6)
• Myopathy (GNE)
• Glycogene storage disease
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
• Many other disease relevant
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.
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
BLINDBILD
Personalize?
NGS –
Krankheitsgruppenorientierte Genpaneldiagnostik
Panel: 1 - 1222 Gene
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,
Olaf Riess,
Medizinische
Genetik ZNF711,
Uni Tübingen
ZDHHC9,
ZMYM3,
ZNF41, ZNF674,
ZNF81
BEISPIEL 5
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?
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
BEISPIEL 5
Genpaneldiagnostik
Always simple? – Fortsetzung 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?
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen
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
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
Olaf Riess, Medizinische Genetik Uni Tübingen