胚胎植入前染色体筛查的新技术

【字体: 时间:2016年04月15日 来源:生物通

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  如今,一系列分子遗传学技术被开发出,能够对单个或少量细胞中的24条染色体进行分析,如比较基因组杂交芯片(aCGH)、单核苷酸多态性芯片(SNP)和定量PCR反应(qPCR)。新一代测序(NGS)技术则有望带来更多的突变数据。

尽管体外受精(IVF)已经彻底改变了不孕不育的治疗,但这个过程本身不够高效,成功率很低。染色体非整倍体,是造成体外受精失败的主要原因,因为大多数非整倍体胚胎无法植入,或在孕早期流产。因此,提高成功率的关键,是选择染色体数目正常的胚胎。为此,人们开始采用胚胎植入前染色体筛查(PGS)。

他们最早使用的分子细胞遗传学技术是荧光原位杂交(FISH)。不过,一些报道认为,基于FISH的PGS结果是站不住脚的。不少前瞻性随机临床试验发现,在使用FISH进行PGS后,妊娠率并没有任何改善。这是因为FISH只能筛查有限的染色体。于是,人们将目光转移到能筛查全部24条染色体的新技术,以便对胚胎进行更准确的评估。

如今,一系列分子遗传学技术被开发出,能够对单个或少量细胞中的24条染色体进行分析,如比较基因组杂交芯片(aCGH)、单核苷酸多态性芯片(SNP)和定量PCR反应(qPCR)。

Array CGH是第一个在全世界广泛使用的染色体全面筛查技术。它包含了与整个或部分基因组杂交的探针,通过比较每个探针的杂交强度,专家可确定特定区域是否缺失或扩增。这实现了拷贝数变异(CNV)和杂合性缺失(AOH)的检测。

新一代测序(NGS)技术则有望带来更多的突变数据。假如测序深度足够,从理论上能够以核苷酸的分辨率定位结构和拷贝数变异。相比之下,芯片的分辨率大抵在kb数量级。随着分辨率的提高,NGS可检测染色体倒位以及与疾病相关的点突变。

下面,我们就来看看胚胎植入前染色体筛查中常用的产品。

芯片

24sure芯片是许多参考实验室及IVF实验室的选择,由英国BlueGnome公司开发。2012年,这家公司被Illumina收购。到目前为止,24sure芯片已经处理了超过35万个临床样本。

24sure芯片利用先进的芯片技术和前沿的BlueFuse分析软件,全面并准确地评估胚胎活检中的全部24条染色体。这些芯片可用于第一和第二极体、卵裂球活检和滋养外胚层活检中的非整倍体筛查。分析结果的可信度高,有助于选择整倍体胚胎进行植入。筛查可以在12小时内完成,因此不会干扰新一轮IVF的时间进度。

它的具体过程包括:(1) 扩增。从新鲜或冷冻的单细胞中提取出DNA并扩增。在QC之后,经过扩增的模板可立即使用,或保存待用。(2) 标记。利用随机引物和Cy染料标记扩增后的模板。(3) 杂交。将标记后的片段与24sure芯片杂交。洗掉未结合的DNA。(4) 扫描。利用激光扫描仪扫描芯片,生成此芯片的.tiff图像文件。(5) 数据分析。利用BlueFuse Multi分析软件存储、分析并解释数据。分析是全自动的,且结果很容易解释。

关于胚胎植入前染色体分析的首个公开发表的随机前瞻性研究表明,在IVF治疗阶段使用24sure技术选择性植入整倍体胚胎,可明显提高怀孕率1。Yang Z等人报告称,在预后良好的患者组,20周时的妊娠率提高了65%。利用24sure芯片选择整倍体胚胎(n=55),妊娠率达到69.1%,而在标准的胚胎形态选择(n=48)后,妊娠率仅为41.7%。这项研究的结果提供了直接的证据,说明即使是预后良好的年轻女性,24sure分析也可以提高妊娠率。


安捷伦的SurePrint G3 human CGH 8 × 60 K oligo芯片也广泛用于染色体的全面筛查。此外,这家公司最近还推出了GenetiSure Pre-Screen Kit,可筛查第三天和第五天胚胎的单细胞中的非整倍体以及其他5-10 Mb范围内的基因组畸变。它将整个运行周期缩短至8小时以内,可同时分析多达14个样本和2个参考样本,在不明显增加成本的前提下筛查更多胚胎。

测序

Illumina在2014年也推出了基于NGS的筛查方案。VeriSeq PGS方案,由VeriSeq PGS Kit 和MiSeq测序系统组成,利用新一代测序(NGS)技术来全面、准确地筛查全部24条染色体,以选择整倍体胚胎。VeriSeq PGS所产生的PGS结果与广泛使用的24sure芯片型技术相当。此外,NGS具有改善分析流程、提高通量和增强性能的潜在机会。

VeriSeq PGS方案提供了一种快速、整套的PGS流程,可以在大约12小时内完成。首先,利用SurePlex DNA Amplification Kit从单个胚胎细胞中提取DNA并扩增。之后利用VeriSeq DNA Library Kit对扩增后的样品进行简化的文库制备。最后,将制备好的文库上样到流动槽中,并在MiSeq系统上测序。

在最近的一项研究中,Fiorentino等人验证了NGS在PGS中的使用2。在双盲研究中,他们评估了18个单细胞和单个卵裂球的190个全基因组扩增产物,评估了4,992条染色体,其中402条拷贝数具有非整倍型。NGS在非整倍体检出上的特异性为99.98%,而灵敏度为100%。基于NGS的24条染色体非整倍体筛查操作的阳性预测值和阴性预测值都为100%。

在Zheng等人去年发表的文章中,他们比较了NGS和aCGH方法3。他们认为,基于NGS的拷贝数分析可能是最准确,最具信息量的,因为这种方法使用数千个位点的序列数据。与aCGH相比,NGS也不需要对照样本,动态范围也更大。不过,NGS同样有限制,不建议用来检测低水平镶嵌。它也不能直接检测平衡染色体重排。

当然,成本也是人们考虑的因素。目前,每个样本的NGS检测成本比aCGH高10-20美元。作者认为,这可能是因为这种技术刚刚开始用于人类的胚胎植入前染色体筛查。随着NGS成本的大幅下降,人们相信NGS的成本有望低于aCGH。

未来,我们还需要更多的数据,来证明这些新技术确实能提高体外受精的成功率。(生物通 余亮)

了解Illumina应用于PGS的更多产品

参考文献

1. Yang Z. et al. Selection of single blastocysts for fresh transfer via standard morphology assessment alone and with array CGH for good prognosis IVF patients: results from a randomized pilot study. Mol Cytogenet. 2012 May 2;5(1):24

2. Fiorentino F. et al. Development and validation of a next-generation sequencing-based protocol for 24-chromosome aneuploidy screening of embryos. Fertil Steril. 2014 May;101(5):1375-82.

3. Zheng H. et al. Application of next-generation sequencing for 24-chromosome aneuploidy screening of human preimplantation embryos. Molecular Cytogenetics 2015 8:38

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