Zentrum für Humangenetik und Laboratoriumsmedizin, Dr. Klein, Dr. Rost und Kollegen

Klassische Chromosomenanalyse

Postnataldiagnostik

Die klassische Chromosomenanalyse im Rahmen der Postnataldiagnostik gehört zu den wichtigsten genetischen Basisuntersuchungen und umfasst die Untersuchung von kultivierten, peripheren Blutlymphozyten und Abortgewebe. Bei folgenden Indikationen ist eine Chromosomenanalyse ggf. im Rahmen einer genetischen Beratung sinnvoll:

  • Neugeborene mit angeborenen Fehlbildungen
  • V. a. chromosomales Syndrom (z.B. Down-, Cri-du-Chat-, Prader-Willi-Syndrom)
  • Neugeborene mit Hypospadie oder intersexuellem Genitale
  • Kinder mit Entwicklungsretardierung und/oder Verhaltensauffälligkeiten und/oder Fehlbildungen
  • Männer mit kleinen Testes und/oder Gynäkomastie
  • Verwandte von Personen mit strukturellen Chromosomenanomalien

Reproduktionsgenetik (Kinderwunschpaare)

  • Paare mit unerfülltem Kinderwunsch vor Durchführung einer IVF oder ICSI
  • Paare mit zwei oder mehr Spontanaborten oder Totgeburten
  • Verwandte von Personen mit strukturellen Chromosomenanomalien
  • Frauen mit primärer bzw. sekundärer Amenorrhoe oder prämaturer Menopause
  • Männer mit Azoo- oder Oligozoospermie
  • Männer mit kleinen Testes und/oder Gynäkomastie

Standard-Untersuchungsmaterial sind 2-5 ml Natrium- oder Lithium- heparinisiertes Vollblut, die Befundung erfolgt innerhalb von 2-3 Wochen, in dringenden Fällen innerhalb 1 Woche. Die Untersuchung von Abortgewebe dient vor allem der Abklärung der Abortursache und der Risikoeinschätzung für nachfolgende Schwangerschaften. Neben dem Plazentagewebe sollten auch fetales Gewebe wie z.B. Haut, Nabelschnur oder Fascia lata in steriler physiologischer Kochsalzlösung eingesendet werden. Die Auswertung aller Zellkulturen erfolgt nach Erstellung und Anfärbung von Chromosomenpräparaten. Hierzu reichert man zunächst Zellen, die sich in der Zellteilung befinden, durch Zugabe des Spindelfasergiftes Colchizin an. Anschließend unterzieht man die Zellen einer bestimmten Behandlung (hypotoner Schock, Fixierung) und tropft die Zellsuspension auf Objektträger auf. Nach Färbung der Präparate (GTG-Färbung) erfolgt die Auswertung am Mikroskop sowie mittels digitaler Image-Verfahren am Computer-Monitor.

GTG-Bandenfärbung, normaler männlicher Karyotyp (46,XY)


Chromosomale Aberrationen
sind für 0,5-1% aller angeborenen Fehlbildungen verantwortlich. Generell versteht man unter Chromosomenaberrationen Veränderungen, die unter dem Lichtmikroskop sichtbar sind. Sie betreffen entweder die Zahl der Chromosomen (numerische) oder ihre Struktur (strukturelle Chromosomenaberrationen). Findet man eine Chromosomenaberration in allen Körperzellen, so spricht man von einer konstitutionellen Störung, sind nur bestimmte Körperzellen betroffen, von einer somatischen Störung.

Numerische Aberrationen der Autosomen (Chromosomen 1-22) sind für etwa 0,5 - 1% aller Fehlbildungen verantwortlich und werden mit einer Inzidenz von ca. 1:700 Neugeborenen gefunden.


Relative Häufigkeit von Symptomen oder Störungen, die im Zusammenhang mit chromosomalen Anomalien auftreten können (mod. n. Hook 1992).




Überblick über die 3 häufigsten autosomalen Trisomien.




Überblick über die häufigsten gonosomalen Chromosomenstörungen.



Karyogramm mit Trisomie 21 (Down-Syndrom), Karyotyp 47,XY,+21


Strukturelle Chromosomenaberrationen
entstehen durch einen oder mehrere Brüche und eine dadurch bedingten Neuorganisation entweder innerhalb eines Chromosoms (intrachromosomal) oder zwischen mehreren Chromosomen (interchromosomal). Der Chromosomensatz, der durch die Neuorganisation entsteht, kann balanciert (ohne Verlust und/oder Zugewinn von chromosomalem Material) oder unbalanciert (mit Verlust und/oder Zugewinn) sein. Während balancierte Chromosomensätze in den meisten Fällen ohne klinische Symptomatik einhergehen, führen unbalancierte Rearrangements in der Regel zum Bild eines chromosomalen Syndroms mit der klassischen Symptomentrias: psychomotorische Retardierung, kraniofaziale Dysmorphiezeichen und Fehlbildungen innerer Organe. Die phänotypische Ausprägung und der Schweregrad sind hierbei sehr variabel und können in der Regel nicht prognostiziert werden.

Die wichtigsten strukturellen Aberrationen sind:

Reziproke Translokation: Hierbei handelt es sich um je ein Bruchereignis in 2 Chromosomen mit gegenseitigem Austausch der azentrischen Fragmente. In der Meiose können je nach Auftrennung der Chromosomen Gameten mit unbalancierten Chromosomensätzen entstehen, wodurch ein Risiko für klinisch auffällige Nachkommen besteht. Die Häufigkeit bei Neugeborenen beträgt ca. 1:700 (500-1.000).

Robertsonsche Translokation: Bedingt durch je einen Bruch in 2 akrozentrischen Chromosomen (13, 14, 15, 21 und 22) im Bereich der Zentromerregion verschmelzen die beiden zentrischen Fragmente miteinander, wobei in diesen Fällen kompensierbare, azentrische p-Arm-Fragmente verloren gehen, deren Verlust nach heutigem Kenntnisstand keine klinischen Auswirkungen hat. Je nach Verteilung der Chromosomen in der Meiose können Gameten mit unbalancierten Chromosomensätzen entstehen. Die wichtigste Robertsonsche Translokation ist die Translokation 14; 21, aus der die Translokationstrisomie 21 („erbli- ches“ Down-Syndrom) entstehen kann. Die Häufigkeit einer Robertsonschen Translokation bei Neugeborenen liegt bei ca. 1:1000.

Karyogramm mit Robertsonscher Translokation zwischen den Chromosomen 13 und 14; Karyotyp: 45,XY,der(13;14)(q10;q10)


Deletion:
Verlust eines Chromosomensegments, entweder am Ende (terminale Deletion) oder innerhalb eines Chromosoms (interstitielle Deletion). Die bekanntesten Deletionssyndrome sind das Cri-du-Chat- (Deletion 5p-) und das Wolf-Hirschhorn-Syndrom (Deletion 4p-). Die Häufigkeit von Deletionen liegt bei ca. 0,9:10.000 Neugeborene.

Inversion: Eine Inversion entsteht durch zwei Brüche in einem Chromosom mit einer 180°- Drehung des Segmentes zwischen den Bruchstellen. Liegt das Zentromer innerhalb dieses Segments, spricht man von einer perizentrischen Inversion, im anderen Fall von einer parazentrischen Inversion. Bedingt durch Rekombinationsereignisse während der Meiose können im Falle der perizentrischen Inversion Gameten mit unbalancierten Chromosomensätzen entstehen. Häufigkeit bei Neugeborenen: ca. 1,3:10.000.

Insertion: Hierbei handelt es sich um den Einbau eines Chromosomensegmentes an eine andere Stelle des Genoms.

Duplikation: Verdopplung eines Chromosomenabschnittes.

Ringchromosom: Ringchromosomen entstehen durch Verlust der Chromosomenenden und Fusion der beiden Bruchstellen.

Markerchromosom: Hierbei handelt es sich um ein zusätzliches, strukturell verändertes Chromosom, dessen Herkunft in den meisten Fällen nur mit Spezialmethoden (M-FISH oder Array-CGH) aufgeklärt werden kann. Neu entstandene Markerchromosomen, deren chromosomale Herkunft nicht geklärt ist, stellen vor allem für die Pränataldiagnostik ein großes Problem dar, da nur sehr vage Aussagen bezüglich einer eventuellen klinischen Symptomatik gemacht werden können. Häufigkeit bei Neugeborenen (inkl. Mosaike) ca. 3:10.000.

Karyogramm mit Markerchromosom (Karyotyp: 47,XY,+mar)


Pränataldiagnostik

Die wichtigsten pränataldiagnostischen Methoden umfassen die Chromosomenanalyse aus Chorionzotten, Amnionzellen und Nabelschnurblut (Cordozentese). Die eingesetzte Methode richtet sich nach der jeweiligen Fragestellung.

Eine Chorionzottenbiopsie (CVS) kann bereits ab der 10. Schwangerschaftswoche (SSW) durchgeführt werden. Hierbei werden meist transabdominal unter Ultraschallkontrolle 10-30 mg Chorionzottengewebe entnommen. Aus diesem Gewebe werden eine Direktpräparation (Ergebnis spätestens am darauffolgenden Tag) oder eine Kurz- (Ergebnis nach 1 Tag) sowie eine Langzeitkultur (1-2 Wochen) angefertigt. Das Abortrisiko nach CVS liegt in erfahrenen Zentren bei 0,5-1%. Die Amniozentese (AC) erfolgt als Frühamniozentese in der 13.-15. Schwangerschaftswoche (SSW) und als klassische AC in der 15.-17. SSW. Unter Ultraschallkontrolle werden transabdominal mit einer feinen Nadel 10-20 ml Fruchtwasser entnommen. Aus den Fruchtwasserzellen werden mehrere Langzeitkulturen angelegt, deren Auswertungsergebnis nach etwa 2 Wochen vorliegt. Das Abortrisiko liegt zwischen 0,3 und 0,5%, bei der Früh-AC etwas höher. Die Cordozentese kann erst ab der 20. SSW durchgeführt werden, das Ergebnis liegt innerhalb einer Woche vor. Das Abortrisiko bei der Cordozentese wird mit 0,5-1% angegeben.

Tumorzytogenetik

Da neoplastische Zellen häufig durch spezifische, chromosomale Aberrationen gekennzeichnet sind, ist die Chromosomenanalyse in der Leukämie- und Lymphomdiagnostik trotz vieler neuer labordiagnostischer Verfahren immer noch als Goldstandard anzusehen. Der Nachweis grobstruktureller Veränderungen spielt sowohl für die Erstdiagnose als auch für den weiteren Verlauf der Erkrankung und die WHO-Klassifikation eine wichtige Rolle. Häufig stellt der Karyotyp der Leukämiezellen einen unabhängigen prognostischen Parameter dar (z.B. AML, MDS).

G-Banden-Färbung: Weibliches Karyogramm mit Philadelphia-Translokation t(9;22)(q34;11.2). Die derivativen Chromosomen 9 und 22 sind durch Pfeile markiert. Definierte Chromosomenaberrationen sind jedoch nicht immer pathognomonisch für eine bestimmte Erkrankung, wie dies für die t(9;22) bzw. BCR-ABL-Translokation bei CML zutrifft.



Weibliches Karyogramm mit einer Deletion 5q im Bereich q13 bis q33 bei MDS



Männliches Karyogramm mit inv(3)(q21q26) [s. Pfeil] bei AML


Trotz erheblicher Überlappungsphänomene der zytogenetischen Veränderungen gibt es z.B. zwischen MDS und AML substantielle strukturelle Unterschiede: Während ein Großteil der Patienten mit de-novo-AML balancierte Anomalien aufweist [z.B. inv(16) oder t(15;17)], sind bei MDS häufig Verluste genetischer Information in Form von partiellen oder kompletten Monosomien (z.B. -5/5q-, -7/7q-, -20/20q-) zu beobachten. Anomalien der Chromosomen 5, 7 und 8 (Trisomie 8) machen zusammen bis zu 70% aller Karyotypveränderungen bei MDS aus. Im Hinblick auf die Prognose sollte differenziert werden, ob die jeweiligen Anomalien isoliert bzw. mit einer Zusatzanomalie oder als Bestandteil komplexer Anomalien (d.h. mit einer Akkumulation von 3 oder mehr unterschiedlichen klonalen Chromosomenveränderungen) auftreten. Die Ausbildung komplexer Anomalien, die mit einer deutlich schlechteren Prognose assoziiert sind, ist vermutlich mit der MDS-inhärenten genetischen Instabilität zu erklären. Es ist davon auszugehen, dass es sich hierbei - im Gegensatz zu den isolierten Veränderungen - um Multigenerkrankungen handelt.

Sollte eine Chromosomenanalyse fehlschlagen, kann auf die chromosomale Microarray-Analyse zurückgegriffen werden, da hier auf DNA-Ebene ein genomweiter Vergleich von Patienten-DNA mit einer Referenz-DNA erfolgt und so kleinere Amplifikationen und Deletionen detektiert werden können. Balancierte Veränderungen sowie geringgradige Mosaike lassen sich jedoch mit dieser Methode nicht nachweisen.

Literatur

Rost et al, J Lab Med 31:171 (2007) / Hook EB: 351, in: Brock DJH et al: Prenatal Diagnosis and Screening. Edinburgh, 1992 / McKinlay Gardner RM et al: Chromosome Abnormalities and Genetic Counseling, 4th Ed., Oxford 2012 / Cooper GM et al, Nature Genet 43(9):838 (2011)