Notwendigkeit und Komplexität der genetischen Diagnostik bei seltenen Erkrankungen:

BLINDBILD Notwendigkeit und Komplexität der genetischen Diagnostik bei seltenen Erkrankungen: Die neue Rolle der Medizinischen Genetik bei klinischen Entscheidungsfindung Olaf Riess Institute of Medical Genetics and Applied Genomics, Tübingen, Germany

Effizienzzuwachs der Next Generation Sequenziertechnologie 1 st generation 2 nd generation Roche / 454 Genome Sequencer FLX 400 Mb / run (8h) Applied Biosystems 3730xl 0,08 Mb / run 1 Mb / 24 h 1000 : 1 Applied Biosystems SOLiD 3000 Mb / run (120h) Illumina / Solexa Genetic Analyzer 2000 Mb / run (96h)

Disruptive technological enablers in Health Care 1. Molekulargenetische Diagnostik 2. Bildgebung 3. Telekommunikation USA: ca. 17-29$ Mrd. pro Jahr aufgrund einer falschen Diagnose verursacht

Kosten im Gesundheitswesen Diagnostisches follow up bei Behinderungen» Imaging, EEG, biochemische Analysen, gegebenenfalls Biopsien: Über 10.000$ pro Patient (Kingsmore and Saunders 2011, SciTransMed 3, 87ps23) Entwicklungsneurologische Erkrankungen betreffen ca. 4 bis 6% der Bevölkerung, meist Kinder (zb geistige Behinderung, Epilepsien, Autismus, neuromuskuläre Erkrankungen) Entwicklungsneurologische Erkrankungen verursachen 5-10% der gesamten Gesundheitsausgaben in den USA (Center for Disease Control and Prevention (CDC): Economic costs associated with mental retardation, cerebral palsy, hearing loss and vision impairment-united States, 2003, MMRW Morb Mortal Wkly Rep 53, 57-59 (2004)

Precision medicine erfordert 1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt (Ursache)

Wandel der Humangenetik in Zeiten der Genomsequenzierung FORSCHUNG WGS/WES ermöglicht in Einzelfamilien bzw. sogar einzelnen Patienten Identifizierung des Krankheitsgens und der zugrunde liegenden Mutation ca. 80% der 7000-8000 Seltenen Erkrankungen haben eine genetische Ursache Überwältigende Informationsflut (2011/12: ca 30 neue Gene für Ataxien/Paraplegien, mehr als 100 neue Gene für Entwicklungsverzögerung )

Precision medicine erfordert 1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt (Ursache) 2. Möglichkeit der einfachen, spezifischen und kostengünstigen Diagnostik (insb. molekulargen. D)

Wandel der Humangenetik in Zeiten der Genomsequenzierung NGS Technologie in der DIAGNOSTIK Gene Panel Sequencing - Standard für genetisch heterogene Erkrankungen - löst bereits jetzt traditionelle Einzelgenanalyse ab - Schnelle Umsetzung wichtig für Effizienzsteigerung und Kostenreduktion - Aufnahme in die Krankenkassenvergütungsordnung dringendst notwendig

Erbliches Brust- und Ovarialkrebspanel Tübingen 56 Gene APC ATM ATR BABAM1 BAP1 BARD1 BLM BMPR1A BRCA1 BRCA2 BRCC3 BRIP1 CDH1 CDK4 CDKN2A CHEK1 CHEK2 EPCAM FAM175A FANCA FANCC Nachteil: - unflexible FANCD2 Genvorgabe FANCE FANCF FANCG - Auswahl FANCP unterschiedlich MEN1 zwischen den Laboren MLH1 MRE11A MSH1 MSH2 MSH3 Notwendigkeit: neue Generation an Humangenetikern MHS6 MUTYH NBN PALB2 PMS1 PMS2 PRSS1 PTCH1 PTEN RAD50 RAD51 RAD51B RAD51C RAD51D RBBP8 RET SMAD4 STK11 TP53 TP53BP1 UIMC1 VHL XRCC2 XRCC3 (Genomanalytiker mit hohem klinischen Verständnis)

Realität in Deutschland: Patienten mit einer seltenen Erkrankung haben KEIN Recht auf eine korrekte Diagnose

Clinical Whole-Exome Sequencing for the Diagnosis of Mendelian Disorders 250 Patienten mit WES charakterisiert (diagnostische Ansatz) 25% wurden gelöst 33 AD, 16 ar, 9 X-gekoppelt 83% der ad und 40% der X-linked waren de novo 126 von 129 Anfragen an die Krankenkassen wurden bezahlt! Yang et al. 2013, NEJM

Precision medicine erfordert 1. Wissen, was der Erkrankung zugrunde liegt (Ursache) 2. Möglichkeit der einfachen, spezifischen und kostengünstigen Diagnostik 3. Möglichkeiten zur Behandlung der Erkrankungen

Krankenkassen Genetische Analysen sind nicht notwendig, da sie für die Therapie nur wenig diagnostische Bedeutung haben. Testung von Familienangehörigen bei genetischen Risiken ist kein Ziel von Versicherungen. Unnötiger Luxus!

ABER - Diagnosesicherung führt zu Handlungsentscheidungen - Verhindert unnötige (kostspielige) Diagnostik - Ermöglicht Management von Erkrankungen auch wenn keine unmittelbare Therapieentscheidung erfolgt

Wie viel ist uns eine Genomanalyse wert? USA: Gesundheitskosten pro Patient pro Jahr 9000 $ Neugeborenes: 8000 $ pro Tag Klinikaufenthalt Exomsequenzierung pro Patient : Verbrauch: 1000 $ Personal und Geräte: 5000$ Genomanalysen müssen nicht wiederholt werden Person lebt im Durchschnitt 78 Jahre, daher wären Kosten für Genomanalysen ca. 65$ pro Jahr Kein Luxus!

Die neue Rolle der Medizinischen Genetik bei Therapieentscheidungen

BEISPIEL 1: Heilend Kind mit schwerer entzündlicher Darmerkrankung 3 Jahre fast ununterbrochene Krankenhausaufenthalte über 100 (!) chirurgische Eingriffe Klinische Konsultationen mit Ärzten in zahlreichen Ländern, wöchentliche clinical care meetings WES zeigte eine XIAP Mutation = hemophagozytotische Lymphohistozytose (HLH) Bisher nicht in Verbindung mit entzündlichen Darmerkrankungen Leber und Darmbiopsien sowie Knochenmarkpunktionen ergaben keinen Hinweis auf eine aktive HLH DENNOCH, da XIAP Mutationsträger unbehandelt eine geringe Überlebenschance haben, wurde eine hämatopoetische Stammzelltransplantation durchgeführt nach 5 Monaten war das Kind praktisch geheilt!! A new role of Medical Genetics in clinical guiding Necessary! Worthey Olaf Riess, et Medizinische al. 2011 Genetik XIAP Uni deficiency Tübingen in inflammatory bowel disease Genet Med

BEISPIEL 2 (Symptomlindernd) Josua, 7 Jahre alt - Klinik: - MR, Epilepsie - Größe < 3.Perzentile - Kleiner Kopfumfang - Nach Infekt Bewusstlosigkeit - Entwicklungsparameter alle spät - mit 5 Jahren spastisch - Diagnostik: - Genetisch: Chromosomen, Subtelomer, Angelman - Biochemisch: Aminosäuren, Oligosaccharide, Lactat im Liquor, Spectroscopie, Ammoniak, Mitochondriopathie - Bildgebung: bilaterale Läsionen im vorderen Globus pallidus - Therapeutische Optionen: Betreuung, Stabilisierung, Computer mit voice synthesizer

BEISPIEL 2 (Symptomlindernd) A new role of Medical Genetics in clinical guiding Joshua Diagnostische Optionen: - WES - Epilepsie/MR Panel (3) - Kingsmore Panel Version 2 (1222 Gene) - Verschobene X Inaktivierung bei Mutter: Sequenzierung des X Chromosoms Mutation im Glycerol kinase Gen Glycerol Kinase Defizienz führt zu Hyperglycerolämie = lebensbedrohliche metabolische Krisen mit Entwicklungsretardierung und geistiger Behinderung Therapeutische Optionen: low fat Diät, in akuten Situationen Glukoseinfusionen und Kortikosteroide in Krisen

BEISPIEL 3: Therapieführend A new role of Medical Genetics in clinical guiding Fallbericht: Patient mit komplexer Ataxie Klinik: - 24 alter Patient konsanguiner Eltern, - 1 Bruder ebenfalls betroffen - Gangprobleme seit dem 19.Lj - Progrediente Hörstörung - Sensibilitätsstörungen und Verlust des Temperaturempfindens in den Beinen Diagnostik: - HSMN ausgeschlossen - Friedreich ausgeschlossen - Microarray - Taubheit: GJB2, GJB6, SLC26A4 - SYNE1 (SCAR8: 148 Exons!)

BEISPIEL 3 Therapieführend Fallbericht: 128 Ataxiegenpanel TWINKLE Mutation homozygot AR IOSCA, normalerwiese vor dem 2.Lebensjahr manifest Muskelschwäche Athetose Verlust der Sehenreflexe Hörstörung Augenlähmung, Optikusatrophie Epileptische Encephalopathie Cave: bei Epilepsie kein Valproat anwenden, da es hier zu Leberversagen kommen kann

BEISPIEL 4 Lebensentscheident A new role of Medical Genetics in clinical guiding NGS in einem Kind mit geistiger Behinderung, Epilepsie und Leberversagen Lebertransplantation wurde in Betracht gezogen WES identifizierte zwei Mutationen im TWINKLE Gen Progressive neurologische Erkrankung mit Leberbeteiligung Lebertransplantation hätte Grundkrankheit nicht gelindert Leber wär erneut betroffen worden Ärzte entschieden sich mit den Eltern gegen eine Lebertransplantation aufgrund der schlechten Prognose Kind verstarb 6 Monate später Kind musste nicht unter der unnötigen Lebertransplantation leiden und es konnte damit einem anderen Kind geholfen werden Necessary! Go et al. 2012: Next-generation sequencing facilitates the diagnosis in a child with twinkle mutations Olaf Riess, causing Medizinische cholestatic Genetik Uni Tübingen liver failure. J Pediatr Gastroenterol Nutr 54:291-4

Auch wenn die Krankenkassen bisher die Finanzierung von Gentests von einer clinical utility abhängig machen, müssen wir bei genetischen Erkrankungen aufgrund der weitreichenden familiären Konsequenzen auf das Prinzip der personal utility von Genominformationen umschwenken. Foster Olaf et Riess, al. Medizinische 2009: Evaluating Genetik Uni Tübingen the utility of personal genomic information. Genet Med 11:570-5

BLINDBILD Komplexität der Befunde bei NGS

BLINDBILD 18.000 DNA Varianten pro Patient Wie sicher? Wie viele nicht erfasst? Wie klinisch relevant?

Befundbericht 1. Welche Daten werden im Befund aufgeführt? 2. Wie wird der Befund geschrieben? 3. Was kann in die Kostenberechnung einfließen? 4. Wer zahlt für die Untersuchungen? 5. Welches klinische Board trifft Entscheidungen über den Bericht und die Verifizierung von Daten?

BLINDBILD Genetic testing: Minimize, Maximize or Personalize?

Minimize? - Bei klarer klinischer Diagnose und einem kausalen Gen reicht eine Einzelgenanalyse (Mukoviszidose, Chorea Huntington.) Patienten mit einer Seltenen Erkrankung wie auch Patienten mit einer unklaren Diagnose haben das selbe Recht auf eine korrekte Diagnose wie Patienten mit häufigen Erkrankungen!!! - Realität: Mutationen in vielen Genen können klinisch eine Erkrankung verursachen bzw. als unterschiedliche Erkrankungen manifestieren - Manche Beispiele Gene sind riesig (>150 Exone bei SYNE1) - Ataxien: > 140 Gene - Paraplegien: > 70 Gene Nur ~ 50% - Geistige der Gene Behinderung: jeweiligen > Erkrankungsgruppe 1000 Gene wurden bisher aufgeklärt! - Muskelerkrankungen: > 150 Gene - Polyneuropathien: > 330 Gene (5600 exons) - Taubheit: > 70 Gene (1300 exons) - Ciliopathien: > 258 Gene (4700 exons) Olaf Riess, - Retinitis Medizinische pigmentosa: Genetik Uni Tübingen > 60 Gene (800 exons)

BLINDBILD Maximize? = WES/WGS

Herausforderung der Humangenetik im Zeitalter der Genomsequenzierung DIAGNOSTIK: Whole Exome Sequencing Problem Sequenziertiefe notwendig für diagnostische Detektionsrate (momentant 25% strike outs ) Vorteile: - Einzelpatienten analyse möglich - Mutationssuche auf dem neuesten Stand der Krankheitsgene, auch nachträglich - Klar definierte Phänotypen nicht mehr unbedingt Voraussetzung - auch anwendbar bei unklarem Krankheitsbild - Aufdeckung von ca. 5% falscher Diagnosen mittels herkömmlichen Methoden Nachteile: - Umgang mit genetischen Zusatzbefunden unklar

James Watson s Genome x I want to be informed on clinical relevant data not directly related to my condition Retinitis pigmentosa (PDE6B) Rod-cone-dystrophy (RPGRIP1) Usher Syndrom 1b (MYO7A) Metachromatic Dystrophy Cong. Nephrotic Syndrom Cockayne Syndrom (ERCC6) Myopathy (GNE) Glycogene storage disease Many other disease relevant

Aufklärung über genetisch-diagnostische Daten: Genetische Beratung Ca.100 genetische Risikokonstellationen pro Individuum Auch wenn man nur 15 min benötigen würde für eine Erkrankung / Krankheitsrisiko, Würde der direkte Patientenkontakt 25 Stunden dauern! Annahme, dass jeder Patient nur 5 Stunden konzentriert zuhören kann, Würde man 5 Tage lang EINE Person genetisch beraten! Die Aufarbeitung der Hintergrundinformation als Grundlage für die Beratung würde ein Vielfaches mehr Zeit beanspruchen.

Personalize? BLINDBILD

NGS Krankheitsgruppenorientierte Genpaneldiagnostik Vorteile: - Reduziert nicht-gewünschte Zusatzbefunde - alle Daten sind potentiell Krankheitsrelevant - Hohe diagnostische Sicherheit/Abdeckung - Deutlich geringere Kosten im Vergleich zu traditionellen Sanger Verfahren - Deutlich schneller - (Aufdeckung ungewöhnlicher Krankheitsverläufe) Panel: 1-1222 Gene Nachteile: - Design nicht flexibel - Unterschiedliche Labore nehmen unterschiedliche Genpanelzusammenstellungen - Gendosis nocht nicht erfassbar 107 genes implicated in XLMR: ACSL4, AFF2, AGTR2, AIFM1, AP1S2, ARHGEF6, ARHGEF9, ARX*, ATP6AP2, ATP7A, ATRX, BCOR, BRWD3, CASK, CDKL5, CLCN4, CUL4B, DCX, DKC1, DLG3, DMD*, EIF2S3, FANCB, FGD1, FLNA, FMR1, FTSJ1, GDI1, GK, GPC3, GRIA3, HCCS, HCFC1, HDAC8, HPRT, HSD17B10, HUWE1, IDS, IGBP1, IKBKG*, IL1RAPL1, IQSEC2*, KDM5C, KIAA2022, KLF8, L1CAM, LAMP2, LAS1L, MAGT1, MAOA, MBTPS2, MECP2, MED12, MID1, MTM1, NAA10, NDP, NDUFA1, NHS*, NLGN3, NLGN4X, NSDHL, NXF5, OCRL, OFD1, OPHN1, OTC, PAK3, PCDH19, PDHA1, PGK1, PHF6, PHF8, PLP1, PORCN, PQBP1, PRPS1, PTCHD1, RAB39B, RAB40AL, RBM10, RPL10, RPS6KA3, SHROOM4, SLC6A8, SLC9A6, SLC16A2, SMC1A, SMS, SOX3, SRPX2, SYP, SYN1, THOC2, TIMM8A, TSPAN7, UBE2A, UPF3B, ZDHHC15, ZDHHC9, Olaf Riess, ZMYM3, Medizinische ZNF41, ZNF674, Genetik ZNF711, Uni Tübingen ZNF81

BEISPIEL 5 Genpaneldiagnostik Always simple? Fallbericht: 25 alter Patient komplexe erbliche und progrediente spastische Lähmung mit axonaler Polyneuropathie MRI normal Häufigsten Unterformen SPG4, SPG5, SPG3 ausgeschlossen Genpanel mit 62 Paraplegie-Gene KIF5A = SPG10 Mutation Diese Mutation wurde sowohl bei autosomal dominanter wie auch autosomal rezessiver SPG10 beschrieben. Risiko weiterer Kinder? Sollte die Ehefrau für Mutationen in KIF5A getestet werden?

BEISPIEL 5 Genpaneldiagnostik Always simple? Fortsetzung - KIF5A = SPG10 Mutation Zusätzlich, compound heterozygot für GCH1 die eine dopa-responsive Dystonie verursacht Beide Mutationen wurde bereits in cis und in trans beschrieben Trans: Patient hat zusätzlich auch eine dopa-responsive Dystonie und benötigt dementsprechend Behandlung oder wird Erkrankung noch entwickeln Cis: Sollten wir seine Frau testen zur Bestimmung des Risikos bei gemeinsamen Kindern?

Schlussfolgerung Neueste Sequenziertechnologien ( Next Generation Sequencing ) - (sind) ein wichtiger Bestandteil der medizinischen Diagnostik - ermöglichen eine schnellere Diagnosefindung - sind in aller Regel preiswerter als mehrere klassische genetische Untersuchungen - ermöglichen für viele Patienten ein klareres Krankheitsmanagement - sind Grundlage für therapeutische Intervention für zahlreiche seltene, sonst nicht aufgedeckte Krankheitsbilder - Aber es ist auch eine völlig neue Dimension der Bewertung der erzielten Daten notwendig, die erfordern: (i) eine gute Aufklärung der Patienten vor der Diagnostik (ii) hochspezialisierte Teams einschließlich Genomanalytiker bei der Generierung der Daten sowie (iii) klinisch-genetische Teams bei der klinischen Interpretation und Führung der Patienten.

The 20th century saw great advances in treatment of infectious disease. Today in the 21st century, we should be making similar gains against genetic diseases, but we aren t attacking them as hard as our predecessors did infectious disease. Stephen Braddock, MD