اصول NGS

از زمان تکمیل پروژه ژنوم انسان در سال 2003، پیشرفت‌های قابل توجهی در تکنولوژی‌های تعیین ژنوم حاصل گردیده است که منجر به کاهش هزینه‌ها و افزایش تعداد و تنوع ژن‌های تعیین توالی شده گردیده است. این روش تعداد بازهای تعیین توالی شده در حداقل زمان را به حداکثر رسانده و حجم انبوهی از داده‌ها را ایجاد کرده و می‌تواند برای درک فنوتیپ‌های بسیار پیچیده استفاده گردد. این روش محققان و پزشکان را قادر ساخته انواع ابزار را برای بررسی ژنوم با دقت بالا در دسترس داشته باشد که منجر به افزایش درک ما از چگونگی ایجاد فنوتیپ و بیماری توسط واریانت‌های ژنی می‌شود.

تکنولوژی NGS در حال تبدیل به یک ابزار رایج و همه کاره برای تحقیقات بیولوژی و پزشکی می‌شود. قدرت وضوح بالا و قدرت تشخیص بالای NGS ما را قادر به اکتشافاتی می‌کند که با تکنولوژی‌های قبلی قابل انجام نبود. استفاده از تکنولوژی NGS برای تعیین توالی DNA کامل ژنوم‌های سرطان، پتانسیل این را دارد که پیشرفت‌های بزرگی در فهم ما از منشاء و تکامل سرطان ارائه کند.

NGS یک روش تعیین توالی موازی فشرده بوده که امکان تعیین توالی تعداد زیادی از قطعات DNA را به صورت همزمان در یک واکنش واحد امکان پذیر می‌سازد. مقدار اطلاعات تعیین توالی به روش مرسوم سانجر(Sanger sequencing) که نیاز به سال‌ها زمان داشت با روش NGS فقط به چند هفته زمان نیاز دارد.

کاربرد های بالینی NGS

A.غربالگری

روش NGS برای غربالگری تعدادی از بیماری‌های ژنتیکی در نوزادان استفاده می‌شود. به عنوان مثال این روش برای غربالگری دقیق Cystic Fibrosis (CS) در نوزادان استفاده می‌شود. حساسیت بالاتر NGS برای غربالگری افراد حامل اختلالات مغلوب، امکان تشخیص موتاسیون‌ها در تعداد افراد بیشتری را با هزینه پایین تر امکان پذیر می‌سازد.

کاربرد غیر تهاجمی NGS برای تشخیص ناهنجاری‌های ژنتیکی در تکامل جنین به شدت در حال توسعه و تکامل است. امروزه از تکنولوژی NGS برای غربالگری سندروم داون، پاتو، ادوارد و آنوپلوییدی کروموزوم‌های جنسی و بعضی اختلالات دیگر استفاده می‌شود. نرخ تشخیص سندروم داون با این روش بیش از 99% می‌باشد. این پیشرفت‌ها باعث شده است که پتانسیل استفاده از NGS به عنوان یک روش استاندارد برای غربالگری پیش از تولد و دیگر تست‌های غربالگری بالینی را مورد تایید قرار ‌دهد.

B. تشخیص بیماری‌ها

ماهیت ژنتیکی سرطان باعث شده است که استفاده از NGS به عنوان یک ابزار سودمند در تشخیص سرطان استفاده گردد. همچنین این تکنولوژی برای تشخیص موتاسیون‌ها (به عنوان مثال BRCA1) در افرادی که با توجه به سابقه فامیلی جزء گروه‌های پرخطر برای سرطان محسوب می‌شوند، فراهم می‌باشد. در حال حاضر پنل‌های سرطان چند ژنی برای ارزیابی عود مجدد سرطان و برای ارزیابی اطلاعات مورد نیاز برای تعیین روش‌های درمانی مناسب در دسترس می‌باشد.

C. درمان هدفمند

بررسی پاسخ به درمان اختصاصی هر فرد وقتی قابل انجام است که با داده‌های NGS همراه شود. اطلاعات حاصل از NGS را می‌توان برای جلوگیری از درمان‌هایی که همراه عوارض متعدد در بیماران خاص می‌باشد، استفاده کرد. همچنین درمان‌های اختصاصی با پتانسیل بالای موفقیت را می‌توان انتخاب کرد تا درد و رنج و هزینه انجام روش‌های درمانی نامناسب را کاهش داد.

اکنون درمان‌های هدفمند برای برخی از انواع سرطان در دسترس می‌باشد و بر اساس اطلاعات حاصل از NGS تغییرات ژنتیکی اختصاصی در سلول‌های توموری آشکار می شود.  به عنوان مثال استفاده از داروهای Imatinib Mesylate برای بیماران CML، Panitumumab برای سرطان کلورکتال و Erlotinib برای سرطان ریه را می‌توان نام برد. از آنجائیکه امکان ایجاد مقاومت به مواد شیمی درمانی وجود دارد، یک فرآیند درمانی هدفمند بر اساس اطلاعات ژنومی در این موارد بسیار مفید می‌باشد.

 

اندیکاسیون انجام NGS

در نظر گرفتن NGS به عنوان یک ابزار بالینی (به عنوان مثال برای تشخیص ژنتیکی) در افرادی مناسب است که به نظر نمی رسد تعیین توالی یک ژن واحد در تشخیص مفید باشد،  مثل اختلالات ژنتیکی مشکوک در موارد زیر:

1. یکی از ژن‌های بالقوه متعدد ممکن است مسئول بیماری بوده و یا پزشک نمی داند کدام ژن(ها) را بررسی کند چون ژن‌های متعددی باعث فنوتیپ یکسان می‌شود (مثلاً به دلیل هتروژنی ژنتیکی).
2. ژن‌های کاندید اصلی بررسی شده اند و نشان داده شده است که نرمال می‌باشند. این مورد به خصوص وقتی که درصد افراد بیمار وابسته به این ژن‌های کاندید کم باشد و گمان می‌رود ژن‌های مسبب بالقوه دیگری برای بیماری وجود داشته باشد بسیار مفید است. چنین آنالیزی اغلب با مقایسه نتایج NGS افراد بیمار و سالم در یک خانواده کمک کننده می‌باشد.
3. تعیین توالی تمامی اگزون‌ها و یا ژن‌ها یا پنل‌های ژنی که به صورت متوالی ژن‌های کاندید را بررسی می‌کند. در این مورد روش NGS ارزان تر و کارآمدتر می‌باشد.

یکی از مهم‌ترین اندیکاسیون‌های پزشکی برای تعیین توالی کل ژنوم (WGS)، یا تعیین توالی کل اگزون‌های ژنوم، بررسی ناتوانی‌های ذهنی شدید یا تاخیر تکامل می‌باشد که گمان می‌رود علت آنها ژنتیکی باشد یا نتیجه ارزیابی اولیه منفی بوده است.

در بعضی موارد ارزیابی یک فرزند بیمار و هر دو والد (trio-sequencing) انجام می‌شود، به خصوص وقتی الگوی توارث ژنتیکی غالب بوده و به یک موتاسیون de novo مشکوک باشیم. ارزش NGS در این موارد برای رسیدن به یک تشخیص مولکولی حدود 25 درصد می‌باشد.

نتیجه‌گیری

قدرت تشخیص و پیش آگهی بیماری‌ها و اختلالات با استفاده از تکنولوژی NGS به شدت در حال رشد و تکامل می‌باشد. تشخیص اولیه و موفق درمان بیماری‌ها با پیشرفت ظرفیت آنالیز داده‌های NGS در حال رایج شدن می‌باشد. NGS نقش بسیار مهمی در تمام مراحل مدیریت بیماری‌های بالینی ایفا می‌کند و نه تنها نرخ بقا (survival rate) بالاتر امکان پذیر گشته بلکه پیشرفت‌های جدید در توسعه کیفیت زندگی بیماران با استفاده از مزایای بالینی روش‌های غربالگری و تشخیص NGS فراهم شده است.

 

References:

1. Goodwin S, McPherson JD, McCombie WR. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies. Nature Reviews Genetics. 2016 Jun 1;17(6):333-51.
2. Sheikine Y, Kuo FC, Lindeman NI. Clinical and technical aspects of genomic diagnostics for precision oncology. Journal of Clinical Oncology. 2017 Feb 13;35(9):929-33.