12 Gene Technology Methods in Medicine 1. Production of recombinant proteins for human therapy 2. Diagnosis of inherited diseases 3. DNA fingerprinting 4. Gene therapy 5. New genomic projects
1. Production of recombinant proteins for human therapy 2. Diagnosis of inherited diseases 3. DNA fingerprinting 4. Gene therapy 5. Ongoing genomic projects
Anwendungsbereiche der Gentechnologie rote Gentechnologie Produktion von Proteinen für die Humantherapie grüne Gentechnologie Produktion transgener Pflanzen weiße Gentechnologie Produktion gentechnologischer Folgeprodukte z.b. Chymosin, Öle, Sojaprotein, Enzyme
Commercially Available Proteins for Human Therapy More than 130 different proteins (2006)
1. Production of recombinant proteins for human therapy 2. Diagnosis of inherited diseases 3. DNA fingerprinting 4. Gene therapy 5. Ongoing genomic projects
Some of the Commonest Genetic Diseases
Wenn bei einem 35-jährigen Menschen Diabetes Typ II diagnostiziert wird, verliert er etwa 27 Lebensjahre 30 25 verlorene Lebensjahre 20 15 10 5 Men Women 0 <35 35-44 45-54 54 55-64 65-74 75-84 85+ Jahr der Diagnose
Methods: 1. Restriction fragment length polymorphism 2. Denaturing gradient gel electrophoresis 3. Ligase chain reaction 4. DNA chips 5. Molecular beacons
Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) Definition: The length of a restriction fragment is linked to a mutation
Some Typical Mutations Leading to RFLP: Scheme
Schematical Demonstration of RFLP
RFLP of Sickle Cell Anaemia
Principle of Denaturing Gradient Gel Electrophoresis
The Principle of Ligase Chain Reaction (LCR) Wild-Type Sequence Mutant Sequence Annealing Ligation No DNA Products DNA Product
DNA Chips Definition: DNA chips consist of single-stranded oligonucleotides anchored with one end on a solid support, e.g. a nylon filter or a glas slide They are based on allele-specific hybridization and are used for the detection of point mutations
How Does a DNA Chip Work?
Detection of Known SNPs (Single Nucleotide Polymorphism) Using a Molecular Beacon Amplification of the region containing a potential SNP Denature PCR product and add SNP-primer + appropriate F-(ddNTP) F-(ddNTP) will be added only if complementary
Diagnosis of point mutations in human genes can occur 1. Prenatal 2. Postnatal 3. Posthum 4. Ethical impact of gene diagnosis
Prenatal Diagnosis Methods: 1. Amniocentesis 2. Chorion biopsy 3. Preimplantation diagnosis (PID) 4. Polar body diagnosis
Amniocentesis Removal of fetal cells present in the amniotic fluid
Chorion Biopsy
The Principle of Preimplantation Diagnosis (PID)
Polar Body Diagnostic
PID Teure, langwierige und komplizierte medizinische Technik Wird nur an hoch spezialisierten Zentren durchgeführt Künstliche Befruchtung Chancen einer Schwangerschaft: 15-20% Alternative: Pränataldiagnostik mit Abtreibung im negativen Fall bis über die 30. Woche hinaus Grundwiderspruch der Gesetzeslage: Embryo im Labor besser geschützt als Fötus im Mutterleib
Spätabtreibung Definition: Nach der 12. Woche bis kurz vor der Geburt Indikation: Kind wird mit schwerwiegender Behinderung geboren, die zu einem seelischen Leiden der Mutter führt Mai 2009: 1. Zwischen Diagnose und der ärztlichen Abbrucherlaubnis 3-tägige Bedenkfrist 2. Beratungspflicht der Arztes
Spätabtreibungen in Deutschland Zahlen: 2008 bis zur 13. Woche: 112 153 zwischen der 13. und 23. Woche: 2 100 ab der 23. Woche: 231
Erfahrungen mit der PID im Ausland Großbritannien: ~500 Behandlungszyklen zwischen 1990 und 2004 mit ~100 Kindern Frankreich: ~100 PID-Behandlungen pro Jahr mit 10-20 Geburten pro Jahr Fazit: Keine Hinweise auf Designer-Babies
Anwendung der PID Belgien: Rund 50 monogene Erkrankungen, z.b. - zystische Fibrose - Muskeldystrophie Potentielle Krankheiten: nur BRCA1
PID für lebendes Ersatzteillager? HLA (Humanes Leukozyten Antigen)-Typisierung Ziel: Kinder mit sehr schweren Krankheiten das Leben zu retten PID: sucht Spenderkind aus, dessen Gewebe mit dem erkrankten Schwesterkind kompatibel ist als Quelle von Stammzellen oder Knochenmark Fall-zu-Fall Entscheidung nach Konsultation einer Ethikkommission
Zain Hashmi 2 years old (02/2002) β-thalassemia Life expectancy without medication: ~10 years With medication: ~15 years
Zusammenfassende Bewertung nach 15 Jahren Erfahrung in Großbritannien, Belgien und Frankreich Keine Hinweise auf Anwendung der PID für - generellen Babycheck - Designer-Babys Aber: Reproduktionstourismus nur für Paare - mit guten Fremdsprachenkenntnissen - dem nötigen Kleingeld
Embryo With One Father and Two Mothers Procedure: in vitro fertilisation Transfer of the nucleus into an egg where the nucleus has been removed Transfer of the egg into the mother Why? Mitochondrial diseases such as some forms of muscular dystrophy Alternative: Injection of healthy mitochondria into fertilized eggs
Postnatal Diagnosis Method: DNA chips
Gene Tests
Gentechnikgesetz (in Vorbereitung) Ziel: Verhinderung des gläsernen Patienten und der genetischen Diskriminierung Iststand: Etwa 90.000 genetische Untersuchungen werden pro Jahr in Deutschland durchgeführt Welche Gendefekte werden analysiert? Brust, Haut- Dickdarmkrebs Herzkreislaufkrankheiten Eisenspeicherkrankheit
Erster Massen-Gentest (2004) Ziel: Kosteneinsparung bei den Krankenkassen Beispiel: Eisenspeicherkrankheit = Hämochromatose Problem: Körper speichert zuviel Eisen Symptome: Ermüdungserscheinungen, Diabetes, Leberkrebs Therapie: alle 3 Monate Blut spenden
Kingsmore Test Stephen Kingsmore: Identified 448 human genes where point mutations will lead to a disease when homozygote (February 2011) Each German carries 40 60 different gene mutations which will lead to a disease when homozygous Costs: ~ 800 per couple
Autosomal-Rezessiver Erbgang
Wichtige Fragen, Teil 1: 1. Ist Diagnose sinnvoll, wenn es keine Therapie gibt? 2. Aufklärung und Beratung vor dem Gentest 3. Forschung an nicht-einwilligungsfähigen Patienten 4. Notwendigkeit zum Test auf Erbkrankheiten ohne Heilung, aber Therapie (Mukoviszidose)
Wichtige Fragen, Teil 2: 5. Bereich Arbeitsrecht: Gentests sollen bei bestimmten gesundheitsgefährdenden Techniken erlaubt sein Problem: Umkehr vom Schutz des Arbeitsnehmers hin zum Schutz des Unternehmers 6. Berufskrankheiten = Folge von genetischer Veranlagung
Posthum Diagnosis Method: DNA chips Reason to carry out a posthum diagnosis: Inheritance problems
Ethical Impact of Gene Diagnosis Prenatal: 1. Abortion 2. Which inherited disease? 3. wrongful birth Postnatal: 1. Right not to know 2. Insurances and employers 3. Next generation
Choria Huntington (Veitstanz) Poly-Glutamin- Krankheit: CAG Anzahl der CAG- Wiederholungen entscheidet über den Ausbruch der Krankheit; meist nach dem 50. Lebensjahr
Absturz nach der Diagnose Beispiel: Chorea Huntington (Veitstanz)
Deaf Couple Goal: To give birth to a deaf child Technique: in vitro fertilisation, genetic analysis of the 8-cell embryo