Kromosomanalyse/cytogenetisk analyse ved neoplasier og medfødte sygdomme

Udviklingen inden for human cytogenetik er i de seneste 20 år gået meget stærkt og har bidraget med viden om, hvordan menneskets arvemasse er sammensat, samt givet indblik i nye sygdomsmekanismer. Vi ved nu, at der blandt de medfødte kromosomsygdomme er mere end 60 forskellige specifikke syndromer, som kan tilskrives bestemte kromosomforandringer, og blandt de erhvervede neoplastiske sygdomme er der nu akkumuleret mere end 27.000 forskellige kromosomforandringer. Kromosomforandringer resulterer i genomisk ubalance (tab/gevinst af kromosommateriale), positionseffekt (dannelse af nye gener/ændret genekspression) eller kombinationer heraf, som har betydning for diagnose, prognose og behandlingsstrategi ved mange sygdomme. Molekylær cytogenetik har medført, at også meget små kromosomforandringer nu kan diagnosticeres, og DNA-chip-teknologien er den seneste udvikling, som yderligere vil forøge resolutionen. En kombination af relevante metoder vil give yderligere indsigt i og forståelse for patogenetiske mekanismer.

Faget human cytogenetik tog sin begyndelse i 1882, hvor østrigeren Walther Flemming publicerede de første illustrationer af humane kromosomer. I 1888 introducerede Waldeyer begrebet kromosom, som kommer af det græske chromos = farve og zoma = legeme (1). I de efterfølgende år formuleredes teorien om, at arvemæssige faktorer blev båret af kromosomerne, chromosome theory of inheritance . Disciplinerne cytologi og genetik blev nu kombineret til studier af kromosomerne og faget cytogenetik opstod, hvor man i de tidlige dage studerede kromosomernes morfologi og adfærd gennem celledelingen.

Man fandt bl.a., at metafasekromosomerne bedst kan ses i celledelingens metafase, hvor kromosomerne er maksimalt kontraherede, før de ved hjælp af tentrådene, som er tilhæftet centromeret (kromosomets indsnævringssted), bliver delt i et ligeligt antal til hver dattercelle.

På grund af metodologiske problemer var det dog svært at fastslå kromosomtallet bl.a. hos mennesket, og der blev publiceret mange artikler med forskellige estimater af antallet, f.eks. beskrev von Winiwater i 1912, at mænd havde 47 kromosomer og kvinder 48. I 1923 kunne Painter fastslå, at både mænd og kvinder havde 48 kromosomer, og han fastslog yderligere, at Y-kromosomet er den mekanisme, der differentierer kønnene hos mennesket (2). Et år senere formulerede Levitsky begrebet karyotype, som refererer til det ordnede parvise arrangement af kromosomerne (3).

Det var først i 1956, at Tijo & Levan (4) endeligt kunne gøre op med dogmet om, at mennesket havde 48 kromosomer, og fastslå, at det korrekte kromosomantal for mennesket er 46, hvilket i deres publikation er formuleret på følgende diplomatiske måde: »... we do not wish to generalize our present finding into a statement that the chromosome number of man is 2n = 46, but it is hard to avoid the conclusion that this would be the most natural explanation for our observations«.

Tre år senere i 1959 tog faget klinisk cytogenetik sin begyndelse, idet Lejeune et al kunne beskrive, at enfants mongoliens (børn med mongolisme, nu kendt som Downs syndrom eller trisomi 21) har et overtalligt kromosom 21 og altså i alt 47 kromosomer (5). I 1960 skete der ligeledes et betydeligt fremskridt inden for cancercytogenetikken, idet Nowell & Hungerford (6) beskrev, at en bestemt kromosomforandring var konsistent forbundet med kronisk myeloid leukæmi (CML). Denne kromosomforandring bestod i tilstedeværelsen af et lille kromosom, som blev benævnt Philadelphia-kromosomet (eller Ph-kromosomet) efter byen, hvor opdagelsen blev gjort, og denne var den første specifikke kromosomabnormitet, der blev beskrevet ved neoplasi hos mennesker.

De forbedrede metoder til dyrkning af cellerne (for at få mange celler i metafase) og efterfølgende høst (bedre spredning af kromosomerne) gjorde det også muligt at inddele kromosomerne parvis efter størrelsen og centromerets placering, hvilket giver en relativ grov beskrivelse af kromosomernes morfologi. I 1970 introduceredes det, som skulle blive en revolution inden for cytogenetikken, idet Casperssonet al (7) viste, at hvert kromosompar hos mennesket efter farvning med det fluorescerende quinacrine mustard og efterfølgende fluorescensmikroskopi har sit unikke båndmønster, dvs. en række bånd ned over kromosomerne, som fungerer som en slags stregkode til identifikation og analyse af hvert enkelt kromosompar, idet båndmønstret er ens hos normalpersoner. I de efterfølgende år blev der udviklet andre og bedre farvemetoder, som vi i dag fortsat anvender stort set uændrede til standardfarvning af metafasekromosomer (8) (Fig. 1A og 1B ).

I 1976 og 1981 udvikledes en såkaldt højresolutionsteknik (9, 10), som muliggør studiet af kromosomerne på et tidligere stadium i mitosen (prometafase/profase), hvor kromosomerne er mindre kontraherede og dermed er længere og har flere bånd. Denne undersøgelse har dog vist sig ikke at være praktisk anvendelig i daglig klinisk diagnostik.

Fra midten af 1980'erne blev der udviklet en helt ny type af cytogenetiske undersøgelser, som kombinerer cytogenetikken med de nye molekylærbiologiske metoder (11). Denne type af undersøgelser benævnes fluorescens in situ hybridisering (FISH)-analyser.

Princippet i undersøgelsen er, at man anvender en fluorescensopmærket DNA-sekvens, en såkaldt DNA-probe, som gøres enkeltstrenget og tilsættes (hybridiseres) det væv/kromosomer, som også er gjort enkeltstrenget og er beliggende på et mikroskopiglas. En af de store fordele ved anvendelse af en af FISH-teknikkerne er, at den også kan udføres på celler, der ikke kan dele sig, f.eks. fikseret væv, ved anvendelse af interfasekerne-FISH-undersøgelsen (Fig. 1E). Der findes tre hovedtyper af DNA-sekvenser, som kan anvendes: 1) satellitsekvensprober, som findes i de enkelte centromerer for hvert enkelt kromosom; 2) whole chromosome paint probes , der er DNA-sekvenser, som repræsenterer et helt kromosom eller dele heraf; og 3) locusspecifikke sekvensprober, som udgøres af regioner i genomet, der kan kode for et eller flere gener. Herudover kan hele genomet anvendes som DNA-probe, hvor dette anvendes i et kompetitionshybridiserings-assay (CGH).

En af fordelene ved at anvende fluorescens er den høje signalintensitet, og at man kan anvende forskellige DNA-prober samtidig, efter at de er opmærket med hver sit fluorescerende farvestof - såkaldt multicolour -FISH (Fig. 1C og 1D). Med FISH-undersøgelsen blev det ikke bare muligt at opnå høj ere resolution, nu er det heller ikke længere absolut nødvendigt, at vævet, der skal undersøges, kan dyrkes med henblik på at fremstille metafaser, sådan at f.eks. cellekerner i vævssnit fra patologipræparater nu også kan undersøges detaljeret.

ISCN - et internationalt system for cytogenetisk nomenklatur

Efter at båndfarvningsteknikkerne var blevet indført og anvendt bredt af cytogenetikere, blev det klart, at et internationalt system til beskrivelse (nomenklatur) af kromosomerne var nødvendigt, således at forskere og klinikere inden for dette felt havde et fælles sprog, der muliggjorde sammenligning og samling af cytogenetiske data. Den første udgave af nomenklatursystemet kom i 1971, og den seneste er fra 1995 (12). Den inkluderer også en nomenklatur for FISH-undersøgelserne.

Kromosom-mapping

I 1940'erne formuleredes hypotesen om at generne ligger fordelt ned over kromosomerne, og med båndfarvningsteknikkerne blev det muligt at allokere specifikke gener til bestemte kromosomer og områder herpå. Ved hjælp af FISH-teknikkerne blev det muligt i langt højere grad at finallokere de enkelte gener til mere specifikke kromosomområder samt at bestemme, hvordan de enkelte gener er beliggende indbyrdes.

Det humane genom blev under stor mediebevågenhed offentliggjort i februar 2001 (13, 14). Med dette har man nu de enkelte dele af genomet kortlagt, og man kender ca. 85% af den samlede DNA-sekvens samt har hele genomet repræsenteret som klonede DNA-fragmenter hver med en størrelse på ca. 1 mio. basepar. Det humane genom består af ca. 6 mia. basepar svarende til de 23 kromosompar, og det er estimeret, at mennesket har mellem 30.000 og 40.000 gener. Dette betyder, at et gennemsnitskromosombånd indeholder ca. 100 gener. Man har dog fundet, at visse områder på kromosomerne har en højere koncentration af gener end andre, bl.a. er det sådan, at lige før kromosomenderne (såkaldte subtelomerregioner) er der langt flere gener end tæt på centromeret.

Cytogenetikkens rolle i diagnostik

Vi ved i dag, at forskellige kromosomforandringer bl.a. er årsag til hovedparten af de meget tidlige spontane aborter, mange medfødte misdannelser og mental retardering, samt at de spiller en væsentlig rolle i patogenesen af maligne tilstande.

Man skelner mellem kromosomsygdomme der er medfødte (konstitutionelle/kongenitte) og dem, der er erhvervede, hvor de sidstnævnte typisk ses ved forskellige neoplasier, som kan være både maligne og benigne.

Blandt de medfødte er der beskrevet mere end 60 forskellige specifikke syndromer, som kan tilskrives bestemte kromosomforandringer, og yderligere er flere hundrede potentielt sygdomsfremkaldende kromosomforandringer opgjort (15). Blandt de erhvervede er der i Cancer Chromosome Data Bank nu akkumuleret mere end 27.000 forskellige kromosomforandringer fra forskellige typer neoplasier (16).

Udvekslingen af genetisk materiale mellem homologe kromosomer (dvs. inden for samme par) er en normal foreteelse i kønscellerne under gametdannelsen. Dette sikrer bl.a., at der sker en opblanding af det genetiske pool, og det er måske endda obligatorisk for normal kønscelledeling. Når udvekslingen sker mellem ikkehomologe kromosomer, opstår der strukturelle kromosomforandringer som f.eks. translokation, hvor en del af et kromosom byttes ud med en del af et andet kromosom, efter at der er opstået en bruddannelse med efterfølgende forkert samling. Kromosombruddene kan teoretisk ske hvor som helst i genomet. I praksis er der dog bestemte områder, som oftere end andre er involveret i bruddannelse og efterfølgende rearrangement. Tilstedeværelsen af en bestemt type DNA-sekvens, et fragilt sted og/eller bestemte DNA-strukturer kan påvirke sandsynligheden for, at en bestemt kromosomregion er involveret i et strukturelt rearrangement.

Strukturelle rearrangementer kan være enten balancerede eller ubalancerede. De balancerede har intet nettotab eller -gevinst af genetisk information. Bestemmelse heraf afhænger dog af den anvendte metodes resolution, som i de bedste tilfælde ved standardkromosomundersøgelsen ligger på 4-5 Mb. Vi ved i dag, at der eksisterer tilsyneladende balancerede rearrangementer, der er bestemt ved standardkromosomundersøgelse, men hvor man ved anvendelse af FISH-undersøgelse nu kan bestemme, at der rent faktisk foreligger f.eks. tab af et mindre genområde i størrelsen <1 Mb (såkaldt mikrodeletion). Endvidere ved vi, at der også forekommer kryptiske rearrangementer, som kun kan identificeres ved anvendelsen af FISH-teknikker.

Sygdomsmekanismerne for kromosomsygdommene kan inddeles på følgende måde:

1. Genomisk ubalance

1. For lidt arvemasse (tab af et eller flere kromosomer eller dele heraf)

2. For meget arvemasse (gevinst af et eller flere kromosomer eller dele heraf)

2. Positionseffekt

1. Dannelse af nye gener (f.eks. fusionsgener)

2. Ændret genekspression

Der kan forekomme simple kromosomrearrangementer, hvor der typisk kun vil være mellem en og fire kromosomforandringer. Ved mere komplekse rearrangementer forekommer der mere end fire af førnævnte forandringer. Det er ofte sådan, at de komplekse kombinationer oftest findes i gruppen af erhvervede kromosomsygdomme, hvor de mere simple oftere tilhører de konstitutionelle.

Afhængig af den diagnostiske situation suppleres den konventionelle kromosomundersøgelse med en række forskellige FISH-metoder (11). Disse kan inddeles i to hovedgrupper:

1. Helgenomscreening

1. 24-multicolour -FISH karyotypering (SKY (17)/mFISH (18))

2. Comparative genomic hybridization (CGH) (19)

2. Locus/regionspecifik undersøgelse

1. Mikrodeletioner

2. Centromerspecifikke

3. Whole chromosome painting

4. Multicolour banding (20)

Hver af disse typer undersøgelser har deres fordele og ulemper (11).

Cytogenetik inden for klinisk genetik

Standardkromosomundersøgelsen foretages dels prænatalt i form af moderkageprøve eller fostervandsprøve og dels postnatalt i form af blodprøve. Der kan også foretages kromosomundersøgelse på navlestrengsblod, der er hentet intrauterint. Frekvensen med abnorm karyotype kan opgøres til: 1) 50% hos førstetrimesteraborter, 2) 2% af fostrene hos mødre >35 år og 3) 0,65% hos levendefødte (21).

De prænatale undersøgelser foretages primært med udgangspunkt i tilfælde, hvor der er en forøget risiko for at føde børn med alvorlige handicap som følge af genomisk ubalance, der kan opstå dels som følge af høj maternel alder (>35 år), høj paternel alder (>50 år), og dels hvis der er fundet kromosomabnormitet hos par med tidligere abort/fødsel, hvor eksempelvis en af forældrene er asymptomatisk bærer af et kromosomalt rearrangement.

De postnatale undersøgelser foretages typisk i forbindelse med udredning af mental/motorisk retardering med/uden dysmorfologi samt i tilfælde, hvor der forekommer infertilitet. Ved mental retardering ± dysmorfologi har man ved nyere undersøgelser vist, at standardkromosomundersøgelsen ofte viser normale forhold, men i ca. 12% af tilfældene kan man dog med anvendelsen af CGH-undersøgelsen finde kromosomale tab, som ikke kunne findes ved den almindelige kromosomundersøgelse (22, 23). Ligeledes er det vist, at i ca. 7% af tilfældene forekommer der forandringer i de subtelomere regioner, som aktuelt kun kan findes ved anvendelse af FISH-teknikker (24) .

Cytogenetik ved neoplasier

Inden for cancercytogenetikken er det muligt at foretage standardkromosomundersøgelse på relevant væv. Ved leukæmier (både de akutte og kroniske former) bruges celler, der er udtaget fra knoglemarven, mens det ved lymfomer er relevant at undersøge celler fra bl.a. lymfeknuderne. Ved andre solide tumorer er det relevant at undersøge celler, der er udtaget fra det ramte væv.

Kromosomforandringerne ved neoplasi kan inddeles i to hovedgrupper: primære og sekundære forandringer. De primære forandringer er ofte forbundet med en specifik tumortype og kan have betydning for de tidligste stadier i tumorudviklingen, mens de sekundære forandringer er mindre sygdomsspecifikke og er hændelser, som optræder senere i forløbet, og som kan have relevans for tumorprogressionen. Man kan i disse situationer finde metafaser med forskellige kromosomforandringer fra samme tumor, hvilket betyder at tumoren er heterogen.

Det anbefales derfor internationalt, at kromosomundersøgelse bør foretages dels på diagnosetidspunktet for at klarlægge de tilstedeværende kromosomale forandringer bl.a. med henblik på stratifikation af behandlingen og dels i forbindelse med remission/relapsvurdering. For eksempel ved akut myeloid leukæmi har man således identificeret tre forskellige prognostiske grupper af primære cytogenetiske forandringer, som har betydning for behandlingsforløbet (25), og fund af t(9;22) ved akut lymfatisk leukæmi vil føre til allogen knoglemarvstransplantation i første komplette remission (26).

Kromosomerne ved de neoplastiske sygdomme har ofte en mere ulden og uskarp struktur, hvilket kan vanskeliggøre kromosomundersøgelsen betydeligt, hvorfor det kan være nødvendigt også at udføre 24-colour -karyotypering (27). Det er f.eks. vist, at i 73% af undersøgelserne ved ondartet lymfeknudesvulst får man en bedre diagnostik med 24-colour -karyotypering end med standardkromosomundersøgelser.

For at kunne foretage standardkromosomundersøgelse skal de udtagne tumorceller kunne dele sig. Der kan være situationer, hvor de forskellige tumorceller deler sig med forskellig hastighed, eller visse tumorceller vokser meget langsomt i cellekulturer. I disse situationer kan man med fordel anvende interfasekerne FISH-undersøgelse eller CGH-analyse, idet det ved disse undersøgelser ikke kræves, at cellerne kan dele sig (11).

Efter den diagnostiske kromosomundersøgelse vil man typisk følge behandlingsforløbet med regelmæssige mellemrum, hvor der enten kan udføres standardkromosomundersøgelse eller relevant FISH-undersøgelse. Såfremt behandlingen er succesfuld, vil de maligne celler med kromosomforandringerne forsvinde, og såfremt der forekommer relaps, vil disse maligne celler komme igen eventuelt indeholdende nye sekundære kromosomale forandringer. Ved akut lymfoblastær leukæmi, hvor der kan forekomme t(4;11), vil man efter behandling typisk ikke kunne finde restsygdom, mens man ved andre sygdomme som f.eks. CML selv med den nyeste behandling stadig vil kunne finde maligne celler (i størrelsesordenen 1:10.000), der indeholder Ph-kromosomet.

Hæmatologisk versus nonhæmatologisk neoplasi

Ud fra kataloget over de mange kromosomanalyser, der er beskrevet ved neoplasi hos mennesker (16), fremgår det klart, at der generelt er forskel på hæmatologiske neoplasier og solide svulster i cytogenetisk henseende.

For førstnævnte sygdommes vedkommende er det relativt nemt ved korttidsdyrkning eller direkte høst at opnå celler i mitose, og karyotyperne er sjældent komplekse. Det modsatte er oftest tilfældet ved solide svulster, hvilket sandsynligvis har betydet, at der er langt færre publikationer vedrørende denne type svulster. Det er dog interessant, at den kontinuerlige optimering af metoderne har bevirket, at den procentuelle andel af publicerede cytogenetiske undersøgelser af de solide svulster er øget støt fra 1983- til 1994-udgaven af Mitelmans katalog (fra 2% til 27%).

En sådan systematisk registrering af kromosomforandringer i neoplastiske celler har været uundværlig for påvisningen af, at der ved specielle lidelser findes ikke tilfældigt forekommende (non random ) kromosomafvigelser ved en lang række sygdomme, og at nogle af disse når op på Ph-kromosomets hyppighed ved CML. Eksempelvis kan nævnes t(X;18) ved synovialt sarkom og t(11;22) ved Ewing-sarkom, som ses i mere end 90% af tumorerne.

Kvalitetssikring og -udvikling inden for cytogenetikken

Det er vigtigt, at der er en høj kvalitetsmæssig standard ved de forskellige kromosomundersøgelser, og der er derfor internationalt udarbejdet retningslinjer for, hvad de enkelte analyser skal indeholde, afhængig af den kliniske problemstilling.

Perspektiver

De konventionelle båndfarvningsanalyser af kromosomerne kan ikke umiddelbart forventes at blive erstattet af de molekylært orienterede undersøgelser, som ofte kun kan give få, men til gengæld specifikke svar. Mange af de molekylære undersøgelser er ofte også meget dyre på grund af arbejdskrævende processer - her tænkes bl.a. på CGH-undersøgelsen. Der er også udviklet polymerase chain reaction (PCR)-baserede teknikker, som kan give oplysninger om enkelte specifikke kromosomale rearrangementer (multiplex PCR). De er relativt prisbillige, men i modsætning til den konventionelle teknik giver de kun oplysning om en eller få genomændringer. Til gengæld har de en høj grad af sensitivitet, idet man ved hjælp af dem kan opdage et givent kromosomalt rearrangement i en ud af 1 mio. celler. Til forskel fra de molekylære giver de kromosomale analyser oplysning om hele genomet på én gang, også sådanne oplysninger, som man ikke umiddelbart kunne forudse hos en patient med en specifik sygdomsentitet.

Båndanalyserne og FISH-teknikkerne komplementerer hinanden og danner fortsat basis for cytogenetisk karakteristik af specielle forandringer, der kan anvendes til: 1) diagnostik, 2) behandlingsvalg, 3) opfølgning af den enkelte patient i et behandlingsforløb og 4) detektion af tidligt relaps.

DNA-chip-undersøgelser er en gruppe af nye og meget lovende teknikker, der er under udvikling, og med hvilke man kan undersøge dels for genomisk ubalance og dels for ændret genekspression af mange tusinder gener på én gang. Implementering af disse teknikker i kombination med ovenstående kan forudses at forbedre diagnostikken med henblik på behandlingsstratifikation og dermed forbedre prognosen ved en lang række sygdomme i fremtiden.

Summary

Chromosome analysis/cytogenetic analysis in neoplastic and hereditary diseases.

Ugeskr Læger 2003;165:892-7.

The development of human cytogenetics has gained momentum during the past 20 years and many chromosome aberrations have been described to be specifically associated with more than 60 constitutional syndromes and more than 27,000 acquired neoplastic diseases. Chromosome analysis has in later years been further refined by the application of fluorescent in situ hybridisation technologies which enables the detection of genetic rearrangements, depending on the method employed down to single gene levels. Chromosome analysis is not only important in the diagnostic situation, but even more so in the prognostication of a wide range of diseases and especially with regard to malignant diseases in the follow-up to monitor treatment response. In addition, cytogenetics play an important role for unravelling the biology of neoplastic disease and the addition of relevant fluorescent in situ hybridisation and chip technologies wil