基因组印记、单亲二体、生殖细胞嵌合体、线粒体遗传是经典的孟德尔遗传学所不能解释的,故有修正孟德尔遗传(revising Mendelian genetics)之称。
嵌合体的临床异质性很大,与嵌合体的形成机制相关,也与异常细胞系的种类、比例和涉及的组织器官相关,从轻微临床表型到胚胎致死不等。相关研究发现0.5~3.7%的先天性生长发育异常儿童存在嵌合体。
生物体内细胞内几乎所有的遗传物质都是相同的。然而,单核苷酸变异(single nucleotide variation, SNV)、InDel、CNV和其他结构变异(structural variations, SV)在细胞分裂的过程中不断积累,这一过程产生了一个由无数细胞组成的有机体,导致每一个细胞都有自己独特的基因组的发生。因此,每个人无疑都是嵌合的。嵌合变异往往被忽视而成为遗传疾病或正常人类变异的基础,并可能被传递给下一代导致疾病风险。
嵌合体定义与分类
要区分两个重要的英文单词,chimerism和mosaicism。
目前国内对mosaicism和chimerism的中文译名不统一。
mosaicism:嵌合体、同源嵌合体、镶嵌体;
chimerism:嵌合体、异源嵌合体、奇美拉、开米拉等。
建议采用同源嵌合体-mosaicism、异源嵌合体-chimerism的习惯用法。
同源嵌合体 mosaicism
一个个体或一种组织中,含有源于单个受精卵但遗传组成不一致的两种或以上细胞系的现象。一般而言,其遗传组成不一致仅限于特定基因位点、基因组片段或染色体。
mosaicism通常发生在合子形成后的卵裂或胚胎(embryo)生长发育早期,故称合子后(postzygote)变异。
异源嵌合体 chimerism
来源于不同受精卵的两种或两种以上遗传组成不一致的细胞系存在于同一个体或一种组织中的现象。一般而言,其遗传组成不一致遍布整个基因组。
临床上最常见的嵌合体是经过骨髓移植的患者,属获得性嵌合体(acquired chimerism)。例如,当一个体质性核型原为46,XX的女性患者需要骨髓移植,而骨髓移植的供体是46,XY健康男性时,患者骨髓移植后骨髓或血液中可以同时存在46,XX和46,XY两种细胞系。这种女性患者称为异源嵌合体 (chimerism)。通过对嵌合体的检测,可以判断供体骨髓在患者身上生长的情况。这是对骨髓移植后白血病患者进行随诊、观察疗效的一个常用而重要的遗传学临床检查方法。
很多文献/标准/指南/共识中提及的“嵌合体”、“嵌合”、 “嵌合现象”、“同源嵌合体”、 “嵌合型变异” “生殖腺嵌合体”、“体细胞嵌合体”、 “体细胞-生殖腺嵌合体”、“限制性胎盘嵌合体”、"真性胎儿嵌合体”均属于“同源嵌合体”范畴。
生殖腺嵌合体 germline mosaicism
嵌合体只局限于生殖腺细胞,不存在于其它体细胞中。
在胚胎细胞分裂不同阶段发生的变异可以使人体产生全身性或组织局部性的镶嵌体。如果变异只发生在胚胎早期分化为生殖腺里的部分细胞系上,即减数分裂前的生殖细胞(germ cell)形成过程中,那么就会建立一个变异的生殖细胞系,且只占据生殖腺组织中的一部分,这样就构成了生殖腺/细胞嵌合体(gonadal mosaicism或germline mosaicism)。
体细胞嵌合体 somatic mosaicism
嵌合体存在于除生殖腺细胞以外的其它体细胞中。
发生在体细胞分裂过程中的变异称为体细胞变异(somatic variant),由此发生的嵌合体称为体细胞嵌合体(somatic mosaicism)。
体细胞-生殖腺嵌合体 gonadosomatic mosaicism
嵌合体既存在于生殖腺细胞,也存在于其它体细胞中。
限制性胎盘嵌合体 confined placental mosaicism;CPM
嵌合体只局限于胎盘组织,不存在于胎儿或新生儿。这是NIPS筛查提示高风险但验证后为假阳性的主要原因之一。
CPM Ⅰ型:滋养层细胞嵌合,充质核心细胞正常。
CPM Ⅱ:滋养层细胞正常,充质核心细胞嵌合异常。
CPM Ⅲ:滋养层细胞异常,充质核心细胞嵌合异常。
真性胎儿嵌合体 true fetal mosaicism;TFM
嵌合体不仅存在于胎盘组织中,还存在于胎儿中。
CPM和TFM鉴别
主要依赖于绒毛活检(滋养层细胞和间充质细胞分离检测)和羊膜腔穿刺后进行相关遗传学检测。由于目前临床上未常规进行绒毛滋养层细胞和间充质核心细胞的分离检测,因此通常只能区分CPM和TFM,而难以有效区分CPM或TFM的亚型。
对于未行产前绒毛活检的病例,结合NIPS检测结果,或者是对分娩或引产后的胎盘绒毛检测,有助于明确CPM或TFM的诊断。
嵌合体形成机制
胚胎发育的早期阶段,发生分化的细胞系示意图
对胚胎发育的大致过程:单倍体性的生殖细胞受精后形成二倍体性合子→卵裂期→囊胚,囊胚由64个细胞构成,这些细胞都没有开始分化,这个阶段之后胚胎开始出现分化,大多数细胞成为滋养细胞,内细胞群由16个细胞组成,其中仅仅4个细胞形成胚胎本身,其他形成胚外组织(绒毛膜、羊膜、胎盘等)。故在胚胎发育早期,理论上非胎儿结构比胎儿更容易发生有丝分裂错误。
胚胎外TE发育为胎盘胎儿部分的两种组织,细胞滋养细胞和合胞体滋养层。滋养层位于囊胚的最外层,提供胚胎营养,最后大部分会形成胎盘。滋胚层在怀孕的第一阶段就会形成,也是受精卵第一个群分化的细胞。
ICM将发展为外/上胚层(最终形成胎儿)和内/下胚层(最终形成间充质核)。
Starostik等(2020)研究发现,在胚胎发育早期,即卵裂期和囊胚期,由于细胞分裂速率较快,分裂周期中G1期时间很短,胚胎细胞容易发生有丝分裂后期迟滞,出现非整倍体细胞并不罕见,此时胚胎的染色体常以CM形式存在。为维持正常胚胎发育,胚胎以不断清除非整倍体细胞的形式进行“自救”,多表现为诱导染色体异常细胞凋亡。这些非整倍体细胞可能是被基因p53介导的凋亡机制所清除。
例如,对IVF周期年轻患者的14个卵裂期胚胎中的多个卵裂球进行分析时,71%(10/14)的胚胎为嵌合体,但不排除技术缺陷引起的变异(Mertzanidouet al, 2013)。在另一项研究中,通过对极体、卵裂球和滋养外胚层活检,发现近50%(10/21)的非整倍体囊胚是由于受精后胚胎细胞发生的染色体错误(Capalbo et al, 2013)。
因此,在胚胎发育早期,其染色体组成并非一成不变,而是通过细胞凋亡和存活途径不断纠正细胞分裂错误,继而维持胚胎的正常发育,对细胞分裂错误的自我纠正过程,伴随着早期胚胎发育的整个阶段。胚胎细胞"自救"的表现形式之一为微核结构(micronuclei, MN),常在细胞有丝分裂后期迟滞时出现,并且在卵裂球和囊胚细胞内均可被观察到。
按胚胎细胞类型分层,非整倍体细胞的比例 (PMID: 32641298)
若含有微核结构的细胞,在卵裂球和囊胚细胞中所占比例较高,则意味着胚胎质量较差。微核结构的出现,也表明细胞DNA发生断裂,基因组完整性遭到破坏,由此产生的非整倍体细胞不容易存活。因此,在整个胚胎细胞系中,若染色体异常细胞所占比例较高,胚胎则不能维持正常发育;而染色体异常细胞所占比例较低的胚胎,则可能存活,直至发育成胎儿。
PMID: 33610905
相较于有丝分裂错误,在减数分裂错误中的染色单体不分离,并不涉及DNA完整性破坏,由此非整倍体细胞发育成胎儿的几率,也可能较细胞DNA发生断裂胚胎发育成胎儿的几率高。
由此可见,胚胎细胞有丝分裂错误和减数分裂错误的发生机制、自我纠正机制和细胞结局等均存在不同。
胚胎细胞有丝分裂错误,染色体不分离
有丝分裂时两条姐妹染色单体分离失败,导致一个细胞内某条染色体单体性,另一个细胞内某染色体三体性。
单倍体卵母细胞与单倍体精子细胞受精后,相应的二倍体受精卵开始有丝分裂细胞。胚胎发生早期阶段的有丝分裂错误导致三种细胞类型:三体细胞、二体细胞和单体细胞(apoptotic monosomic cell通常发生凋亡)。根据有丝分裂错误的时间,可能出现以下情况:
胚胎A:桑葚胚期早期有丝分裂错误,正常(n)和三体(t)细胞的广泛嵌合体。
胚胎B:晚期有丝分裂错误,CPM中只有胚外组织有三体细胞。
胚胎C:晚期有丝分裂错误,正常胎盘和胚胎嵌合三体。
胚胎D:无有丝分裂错误,整倍体胚胎和整倍体胎盘。
减数分裂不分离引起的三体细胞自救(trisomy rescue)
在减数分裂过程中,配子的染色体不分离,形成的三体细胞。三体细胞在有丝分裂的过程中会丢弃额外多出的一条染色体,使细胞恢复二倍体正常数目。由于三体自救对内细胞团细胞(发育成胎儿部分)及滋养外胚层细胞(发育成胎盘等胚外组织)的不同影响,自救过程的不完全可产生以下几种形式的嵌合体:
①胚胎A:早期无有丝分裂自救,胚胎和胎盘完全三体细胞
②胎儿和胎盘都为三体和二体细胞的嵌合,即胚胎B:桑葚胚期的早期自救丢弃了单染色体细胞,形成嵌合体胚胎和嵌合体胎盘(均为单亲二倍体和三体细胞的嵌合)。
③胎儿是完全三体而胎盘为三体和二体细胞的嵌合;即胚胎C:后期有丝分裂自救,胚胎的三体和胎盘是单亲二倍体(U)和三体细胞(T)的嵌合体。
④胎盘是完全三体而胎儿为三体和二体细胞的嵌合;即胚胎D:后期有丝分裂自救,胚胎是单亲二倍体和三体细胞的嵌合。胎盘是完全三体细胞。
⑤有丝分裂后期,胎盘等胚外组织为完全三体细胞而胎儿本身则是正常二倍体;如胚胎E。
⑥胎儿为完全三体而胎盘正常,为二倍体,如胚胎F。
⑦胎儿完全正常而胎盘为三体和二体细胞的嵌合;
⑧胎儿为三体和二体细胞的嵌合而胎盘正常;
嵌合体检出率
六类嵌合体比例,以及不同细胞类型检测嵌合体情况:
Grati等[2017]通过对67030份产前标本的分析发现,绒毛细胞的嵌合检出率为2.17%(1457例)。对其中的1100例嵌合病例进行的羊水验证表明,TFM仅占所有绒毛异常结果的13.5%(148/1100)。在所有检出的嵌合异常中,各型CPM和TFM的发生率结果见上表。
Hsu等(1999)综述的180 000产前诊断病例中,含真性嵌合体的胎儿占0.3%,其中10.3%属常染色体结构性异常,5%属结构性性染色体异常,15.3%属标记染色体嵌合体。这一资料表明,所有平衡性染色体结构异常嵌合体都不表现出任何遗传效应。除i(20q)和i(12p)以外的所有其他非平衡性染色体结构异常嵌合体的总致畸风险率是40.4%。i(20q)和i(12p)嵌合体的致畸风险则分别是100%和71%。
Grati等(2006)在产前诊断中,发现绒毛膜取样后,胎儿染色体嵌合体的发生率约1%~2%;羊膜腔穿刺术后,胎儿染色体嵌合体的发生率约0.1%~0.3%,胎盘细胞嵌合发生率远高于胎儿细胞嵌合发生率。这说明在胚胎发育过程中,胎盘细胞嵌合发生率远高于胎儿细胞嵌合发生率。
Grati等(2017)对67030例绒毛标本进行细胞遗传学分析,发现1457例嵌合体。对其中1100例再进行羊水验证,发现148例为真性胎儿嵌合体(13.5%),952例(86.5%)为限制性胎盘嵌合体。
李显筝等(2018)研究了妊娠中期通过羊水染色体核型分析的10341例产前诊断病例,发现性染色体嵌合体发生率为0.34%(35/10341),主要涉及3种嵌合类型:45,X/46,XX嵌合(17例)、45,X/46,XY嵌合(8例)和45,X与其他异常核型嵌合(10例)。在35例性染色体嵌合体中,产前诊断指征涉及无创提示性染色体数目异常、唐筛高风险、B型超声(B超)指标异常以及高龄,其终止妊娠率分别为86%(12/14)、83%(5/6)、75%(6/8)和29%(2/7)。
Li等(2022)在一项涉及18,374例孕妇的回顾性研究中,发现约0.6%的胎儿发生染色体嵌合体;绒毛样本中发生染色体嵌合体的比例约3.2%;羊水样本中,染色体嵌合体发生率约0.5%。
张孝乾等(2023)研究发现,3015例遗传咨询者外周血核型中染色体嵌合体27例,占总体比例0.9%。
染色体嵌合体类型包含多态性染色体嵌合体和致病性染色体嵌合体。多态性染色体嵌合体包含多态性染色体1qh+、inv(9)(p12q13)、+mar和inv(19)(p11q12)等类型,该类染色体不具备临床致病性;
致病性染色体嵌合体包含异常染色体i(X)(q10)、del(5)(p15.2)等类型,该类染色体具有临床致病性,但致病严重程度与嵌合类型及嵌合比例有关,具体嵌合类型、比例与表型的关系值得进一步研究。
检测方法
检测技术
常规染色体核型分析、荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)等传统细胞遗传学技术,染色体微阵列分析(chromosomal microarray analysis, CMA), 如单核苷酸多态性微阵列(single nucleotide polymorphism array, SNP array)、拷贝数变异测序(copy number variant sequencing, CNV-seq)、荧光定量聚合酶链式反应(quantitative fluorescent polymerase chain reaction, QF-PCR)等分子遗传学技术,均可能检出染色体嵌合体。但各种技术的适用性存在差异。
其中,用于检测染色体短串联重复序列(short tandemrepeats, STR)的QF-PCR方法与SNP-array。其中,SNP-array可检测整条胎儿染色体的UPD和片段性UPD;而STR检测方法由于是散点性检测,可能漏诊片段性UPD。在拥有胎儿父母遗传信息情况下,采用SNP-array和STR检测,可以诊断整条胎儿染色体的单亲异二体(uniparental heterodisomy, UPhD)和单亲同二体(uniparental isodisomy, UPiD)。而在缺少胎儿父母遗传信息时,则可根据SNP-array结果中的大片段杂合性缺失(loss of heterozygosity)或纯合型大片段(regions of homozygosity),判定UPiD,而不能判定UPhD。利用SNP-array和QF-PCR等技术,仅可根据基因多态性位点的信息判断染色体是否存在UPD,而UPD是否导致印迹基因相关疾病,则还需甲基化特异性(methylation-specific, MS)检测进行确认。
染色体疾病的产前诊断方案在不同单位间不尽相同,嵌合体的诊断需采取不同的流程。原则上,建议至少两种检测技术均检出嵌合时才能确立真性嵌合体的诊断;当只有一种检测技术检出嵌合体时,其结果解释需谨慎,建议结合临床信息和超声结果进行综合分析。
时盼来等(2023)利用CNV-seq联合染色体核型对羊水嵌合体进行分析,共检出40例嵌合体,检出率为0.46%(40/8621)。CNV-seq,与染色体核型分析的符合率为75.0%(30/40)。其中30例终止妊娠/胚胎停育/夭折,5例继续妊娠,活产3例,失访2例。11篇文献共在63577例份羊水中发现了245例嵌合体,异常率约0.39%,验证符合率为62.8%(103/164)。
作者认为当羊水CNV-seq检测提示为嵌合体而染色体核型分析未见异常时,首先建议与临床指征进行复核,如是否与NIPT结果一致,超声检测是否有异常;其次,建议用其他方法如染色体微阵列分析(chromosomalmicroarrayanalysis,CMA),荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)等检测未培养的羊水细胞,如果复查后检测结果与CNV-seq结果一致,可支持该结果;如果不一致,查找实验原因,确证不一致的情况下,建议复抽羊水,重新验证。
作者认为当遇到羊水嵌合情况时,不建议用脐血进一步验证。因为脐血来自胎儿的中胚层组织,羊水细胞则属于胎儿体表、消化道、呼吸道、泌尿道等处脱落的细胞,同时包含外胚层、中胚层和内胚层来源的细胞。部分胎儿染色体异常仅存在于某些组织中,并随胎儿的生长发育出现选择性消失,从而增加遗传咨询时对嵌合体预后进行判断的难度。若脐血验证结果与羊水核型或CNV检测一致,可支持羊水的检测结果;而与羊水检测结果不一致时,却无法否定羊水的检测结果。在本研究中,有一例羊水的CNV-seq与核型结果均异常,提示为70%的7号染色体三体嵌合体。复查脐血时CNV-seq与核型结果均正常,后期超声检查提示胎儿心包有微量积液,生长发育迟缓。妊娠。随访得知胎儿于孕40+2周经剖宫产出生,为低体重儿,具有特殊面容、肺发育不全,治疗后3d无效死亡。这提示脐血染色体并不能完全代表胎儿的真实核型,仅能够作为辅助诊断,而不能作为验证羊水嵌合体的最终依据。因此,当遇到羊水核型为嵌合体时,首先建议复查羊水结果,用其他方法如FISH、CNV-seq、CMA等方法检测未经培养的羊水细胞的拷贝数情况,若复查结果一致,可支持羊水核型结果,不一致则建议以后者检测结果为主,并通过超声密切观察胎儿的生长发育情况并加强随访。
在成功随访的家庭中,58.3%(144/247)选择了终止妊娠,33.6%(83/247)选择继续妊娠,其中31.6%(78/247)胎儿已出生,均健康。终止妊娠的病例以常染色体数目异常嵌合体为主,常染色体数目异常的临床表型通常比性染色体异常(除45,X外)严重,且随着异常细胞比例的增加,临床表型趋于明显。选择继续妊娠以及活产儿中以性染色体嵌合体为主,并且比例小于30%,大多集中在10%~ 20%。性染色体主要影响胎儿性腺以及出生后第二性征的发育,其智力异常的程度将随X染色体数目的增多而增加。
郑建丽等(2023)利用染色体核型分析和CMA检测,对部分疑似存在嵌合者进行FISH检测。结果发现在775份羊水标本中,核型分析共发现嵌合体13例,检出率为1.55%。3例经FISH验证的孕妇中,2例与核型及CMA结果一致,并且明确为低比例嵌合;1例与核型分析的结果一致,但CMA检测未见异常。FISH不仅能够直接检测未培养的羊水间期细胞,对染色体数目异常作出快速的诊断,还能够对核型分析疑似异常的病例的羊水中期细胞分裂相进行检测,以明确胎儿染色体结构异常的来源和断裂点。
商梅娇等(2023)对4071例行羊膜腔穿刺术或/和脐静脉穿刺术产前诊断的单胎妊娠孕进行研究,产前诊断为胎儿真性染色体嵌合体40例(0.98%)。性染色体嵌合体占42.5%(17/40),其他染色体嵌合体包括21、22、18、16、7、12、15、17和20号染色体及染色体平衡易位嵌合。真性胎儿染色体嵌合体在羊水染色体核型分析中的检出率为77.4%(24/31);在羊水CMA中的检出率为76.7%(23/30);在脐血染色体核型分析中的检出率为10/19;在脐血CMA中的检出率为7/11。对于嵌合比例<30%的低比例嵌合体检出率,羊水FISH的检出率(14/19)高于羊水CMA的检出率43.5%(10/23),差异有统计学意义(x²=3.88,P=0.049)。认为羊水全面地代表胎儿的遗传学组成,理论上羊水是检测嵌合体的最佳标本,绝大多数情况下无需脐血进一步验证。而且脐血检测结果不能否定羊水或绒毛检测结果,仅作为辅助判断。
综上,原则上,建议至少两种检测技术均检出嵌合时才能确立真性嵌合体的诊断;当只有一种检测技术检出嵌合体时,其结果解释需谨慎,建议结合临床进行综合分析
检测对象
绒毛样本
典型的绒毛组织学结构包含外层的滋养细胞和内层的间充质核心细胞,前者起源于囊胚滋养外胚层(trophectoderm, TE),后者起源于胚外中胚层(extra-embryonic mesoderm, EEM),而EEM和胎儿均起源于囊胚ICM。因此,一般认为对于胎儿的遗传组成研究而言,绒毛间充质核心细胞更具有代表性。
短期培养绒毛(Short-term culture villi,STC-villi)是针对细胞滋养层。
长期培养绒毛(long-term culture villi,LTC-villi)是针对间充质核心细胞。因此,LTC-绒毛比STC-绒毛更能反映胎儿的情况。
绝大多数情况下绒毛细胞提取的DNA为滋养细胞和间充质细胞的DNA混合液,不影响产前遗传学诊断的可靠性。另外一点需要注意的是,由于产前绒毛或胎盘绒毛活检的取材仅限于局部胎盘组织,可能并不能完全代表胎盘组织的整体情况。理论上,通过绒毛枝干的剪碎、裂解、酶解等处理措施可以获得滋养细胞和间充质细胞两种细胞的DNA混合液,但是,由于细胞系所处绒毛结构的特殊物理构造以及不同实验室前处理方法的差异,实际上提取到的DNA混合液,通常是滋养细胞DNA占比相对较高,间充质细胞DNA占比相对较低。个别文献也报道,在极端情况下有可能提取到的DNA只包含滋养细胞DNA,未包含间充质细胞DNA或其含量极低,这种情况有可能漏诊或误诊TFM。
绒毛活检时,任何一种方法检出嵌合体,不考虑方法间相互验证,而是建议进一步羊水或脐血验证。如绒毛与羊水检测结果不一致,以羊水结果为准。
若绒毛嵌合体未经羊水或脐血验证,不建议依据该检测结果进行临床处理。但是,当嵌合体的诊断与胎儿超声异常相符,经孕妇及其家属知情同意可选择终止妊娠,建议引产时行羊水或胎儿组织检测以完善胎儿胎盘嵌合体诊断。
未培养细胞间期FISH检测嵌合体的敏感性优于其他分子遗传学技术,故在羊水验证时,应以FISH技术作为嵌合比例评估的核心方案。
绒毛检测提示染色体非整倍体嵌合体,进行羊水验证时,若核型分析、FISH、CMA检测结果不一致,以未培养细胞间期FISH结果为优先判断标准;如无FISH结果,则以CMA结果为次选判定标准(BAF/AD与log2值分析结果必须一致)。但是SNP array具备基因分型功能,有助于判断UPD和推测非整倍体发生机制,指导再生育,故目前在羊水验证时仍应作为一线检测技术。
羊水样本
羊水细胞的来源包含了外、中、内三个胚层来源的细胞类型,其中既有外胚层表皮脱落细胞、中胚层泌尿系脱落细胞,还有内胚层消化道脱落细胞等。虽然羊水中三个胚层细胞的构成比例无法确定,但理论上羊水仍是诊断胎儿嵌合体的最佳样本,可以较全面地代表胎儿的遗传学组成;绝大部分情况下无需进行脐血验证。
是否进行脐血验证还取决于具体的染色体异常类型,某些染色体嵌合体可能会出现羊水中比例极低甚至无法检出,反而在脐血中比例较高能够检出的情况。如个别文献报道8号三体可能呈组织限制性嵌合状态,羊水中异常细胞比例低而不易检出,脐血中异常细胞比例高较易检出。
由于无法确定羊水中异常细胞系的胚层定位,嵌合比例的高低与表型的有无或严重程度之间并不一定呈现同步变化趋势,因此极少数情况下容易夸大或忽视嵌合体的潜在表型效应。
极其罕见的情况下,两次羊水穿刺行同一项检测的结果可能存在差异甚至截然不同。
绒毛检测后行羊水验证时,以羊水检测结果作为胎儿的最终诊断依据,并以此制定遗传咨询意见,无需进一步脐血检测。
羊水作为首检样本,且仅采用单一技术(核型分析、CMA或CNV-seq任一种)检测时,若检测结果提示非整倍体嵌合时,建议进一步行FISH验证。当嵌合体的诊断与胎儿超声异常相符,经孕妇及其家属知情同意可选择终止妊娠,建议引产时行胎儿组织检测以评估嵌合体的组织分布情况。
脐血样本
脐血细胞来源于中胚层,血细胞是单一胚层细胞来源,这方面目前尚缺乏较大的研究数据,有一定的局限性,原则上不适用于嵌合体的筛查和确诊,应尽量避免采用脐血作为嵌合体产前诊断的单一样本来源。且血液中某些三体细胞系在体外培养时可能会因为被植物血凝素抑制生长,导致嵌合体的漏检。
晚孕期产前诊断选择脐血作为检测样本主要是考虑到羊水核型分析需要细胞培养,周期长且失败率高,而脐血核型分析所需细胞培养周期短,且相对而言成功率高。
需要强调的是,脐血检测结果仅代表胎儿中胚层细胞,不能否定羊水或绒毛检测结果,仅作为辅助判断。
脐血检出嵌合体,则中胚层来源的器官组织如泌尿生殖系、骨骼肌肉、血液、心血管及结缔组织等,有可能存在该嵌合体。
若脐血检测结果为嵌合体,可以验证羊水或绒毛嵌合体,但是其嵌合比例不具有代表性,嵌合比例原则上应该以羊水检测结果为准(极个别情况例外)。
若脐血检测结果阴性或嵌合比例低于羊水嵌合比例,提示羊水中嵌合体细胞可能主要来源于外胚层和内胚层。
常规染色体核型分析的三个级别嵌合
常规染色体核型分析检出嵌合体时,需要进一步鉴别几种不同类别的嵌合体:
① Ⅰ级嵌合体(level Ⅰ):单细胞假性嵌合。异常核型只出现在来自单个培养瓶(培养瓶法)或单个细胞克隆(原位法)的单个核型。
② Ⅱ级嵌合体(level Ⅱ):多细胞假性嵌合。在同一培养瓶中(培养瓶法)检出两个或两个以上相同的异常核型,或在同一培养皿(原位法)中检出一个或多个细胞克隆的两个或多个相同的异常核型。
③ Ⅲ级嵌合体(level Ⅲ):真性嵌合。在两个或两个以上培养瓶(培养瓶法)或培养皿(原位法)中,检出两个或两个以上相同的异常核型。Ⅰ级和Ⅱ级嵌合体需要按照不同类型的染色体异常进一步分析。经详细分析后,确定为Ⅰ级嵌合体的,无需报告;确定为Ⅱ级嵌合体的,一般无需报告,若可计数分析的中期分裂相不足、胎儿表型疑似与该嵌合体相关、或某些特殊类型的嵌合体,经与临床医师沟通商议后,可考虑酌情报告“Ⅱ级嵌合体”或“不确定的结果”,但必须进一步验证。
检测与分析的注意事项
①产前样本均建议行STR或SNP方法排除母源污染;绒毛标本在接种前应尽可能清除血污和蜕膜。
②羊水培养瓶法容易产生假性嵌合,也容易漏诊嵌合体,建议将培养的上清液继续培养或传代,必要时可收获进行染色体制备,以备补充计数分析。
③建议有条件的实验室优先采用原位培养法进行羊水染色体核型分析。
④NIPS非整倍体高风险,或者其它临床信息、实验室或影像学检查提示可能存在嵌合体时,建议羊水穿刺后保留5 mL未培养羊水,经低渗固定处理后置于-20℃冰箱留存,或者未经低渗固定处理的样本置于-20℃或-80℃冰箱保存(保存有效性和保存时限,实验室需根据自身条件进行前期试验验证),以备后续行FISH验证。FISH 通常无法准确检出极低比例嵌合(<10%),并且也无法排除其它因素导致的假性结果(如样本本身的细胞抽样误差等)。
⑤当两种不同检测技术检测结果不一致,建议采用未培养细胞进行间期FISH验证;怀疑嵌合体或进行嵌合体验证时,可扩大计数至100~500个细胞。FISH用于检测嵌合体,其建议报告的嵌合比例下限一般为10%。
⑥当嵌合体的诊断与胎儿超声异常相符,经孕妇及其家属知情同意可选择终止妊娠,建议引产时行胎儿组织检测以评估嵌合体的组织分布情况。
⑦染色体非整倍体或嵌合体不属于WES和WGS的常规检测目的。WES和WGS检测非整倍体或染色体嵌合体多数采用log2值或结合allele diffrence(AD)或B-allele Frequency(BAF)进行分析判断,
⑧染色体嵌合体的诊断及验证一般不推荐采用QF-PCR、WES和WGS。
⑨若其他检测方法检出嵌合体,一般不建议采用QF-PCR方法进行验证,QF-PCR检测结果仅作为嵌合体诊断的一项补充证据。
⑩在产前诊断中,若CMA/CNV-seq报告嵌合比例10%~30%的嵌合体,建议进一步采用其它方法验证。
11.由于6、7、11、14、15、20号染色体与已知的印记综合征相关,涉及这些染色体异常的嵌合体,需要进一步明确是否存在UPD。采用含SNP探针的CMA或基于AD/BAF的WES分析,可以判断出单亲同二体(isodisomy)嵌合。
12.单亲异二体(heterodisomy)嵌合可通过甲基化MLPA比较峰面积大致判断,或者通过家系SNP array、STR或WES进行大致判断,但总体上对嵌合比例的评估不精确。
13.绒毛活检时,任何一种方法检出嵌合体,不考虑方法间相互验证,而是建议进一步羊水或脐血验证。
14.多倍体嵌合、性染色体非整倍体或结构异常嵌合时,不建议采用 CNV-seq 或 CMA 辅助验证,建议结合临床,酌情考虑其它适宜技术。
15.环状染色体、等臂染色体和标记染色体嵌合体,此类染色体异常在细胞分裂和体外培养过程中,稳定性较差,其染色体结构也容易发生变异甚至丢失,如i(12p)、i(15q)、i(18p)、i(22q)、i(8p)、i(9p)、r(13)等,因此建议进一步采用羊水未培养细胞间期FISH和CMA/CNV-seq验证。需要注意染色体核型和CMA/CNV-seq在嵌合比例描述上的“差异”。在某些情况下,对嵌合体的预后评估,应该是基于核型分析的嵌合比例来考虑,而不是CMA。
16.染色体片段重复或缺失(≥10 Mb)嵌合体,建议进一步采用FISH+CMA/CNV-seq验证,嵌合比例以羊水未培养细胞FISH+CMA/CNV-seq结果为准。
17.平衡型染色体结构重排或多态性变异嵌合体,该类嵌合体通常需要核型分析和/或中期FISH才能有效诊断。由于该类异常携带者一般无表型效应(极个别例外),且相关验证技术(如中期FISH)较难常规开展,若产前检出该类嵌合体,原则上不建议进一步验证。
检测方案
核型分析+CMA / 核型分析+CNV-seq的检测方案
核型报告的Ⅱ级或III级嵌合体,需+CMA或CNV-seq结果进行分析:
嵌合比例≥30%:对于常染色体非整倍体、片段缺失或重复的嵌合体,理论上CMA或CNV-seq可以验证该嵌合体并准确判断嵌合比例;
若CMA或CNV-seq为阴性,建议进一步行未培养细胞间期FISH验证。
对于性染色体非整倍体、多倍体、环状染色体、等臂染色体和标记染色体等嵌合体,某些情况下CMA或CNV-seq可能会漏诊,并且对嵌合比例的判断也可能存在偏差(形态学嵌合和拷贝数目嵌合的区别)。这种情况下,CMA或CNV-seq的结果必须根据核型分析的结果进行判读和解释,嵌合比例的确定需要以核型结果为参照,对嵌合比例存疑或其比例高低影响临床处理时,需要进一步行FISH验证。
嵌合比例<30%:若CMA或CNV-seq结果为阳性,两者结果相符,可以确立诊断;
若CMA或CNV-seq结果为阴性时,建议进一步行未培养细胞间期FISH验证:FISH结果阳性时,可以确立诊断;FISH结果阴性时,可以确定“Ⅱ级嵌合体”为假性嵌合,但对于“Ⅲ级嵌合体”需详细评估是否存在影响细胞培养和核型分析结果的因素(例如采用原位培养还是培养瓶方法,是否继续加做备份培养皿增加计数等),并结合临床情况具体分析。
无创筛查与嵌合
目前,抽取孕妇外周血检测胎儿非整倍体异常的无创性产前DNA检测技术得到广泛开展,其具有无创性和准确性高的优点,大有取代唐氏筛查的趋势。然而该项技术也有局限性,由于该项技术检测的游离胎儿DNA几乎来源于胎盘(滋养层细胞),并不能完全代表胎儿的遗传信息,可能会出现无创性产前DNA检测结果与胎儿羊水或脐血核型结果不一致的情况。无创筛查对于 CPM 的检测敏感性优于绒毛活检染色体核型分析(绒毛活检只是局部小范围取材)。因此,CPM是造成NIPT假阳性的最主要因素,其他还要母源性染色体异常、双胎或多胎之一死亡等。所以,不能单独以无创筛查结果作为临床诊疗依据,无创筛查提示非整倍体高风险的病例需行产前诊断方可确诊。
当无创筛查提示染色体非整倍体高风险时,胎儿或胎盘可能是:①正常核型;②非整倍体;③UPD;④正常核型、非整倍体或 UPD 不同组合的嵌合体。因此,一部分病例可能需要行甲基化检测、家系 SNP array 或 STR,才能确立或排除UPD;一部分病例可能为低比例非整倍体嵌合体,需行 FISH检测或验证。
疑似UPD或其嵌合体,需要侵入性产前诊断,并增加甲基化分析技术、SNP array 技术及核型分析技术作为首选检测方案,同时保留部分样本以备后续 FISH 检测。
无创筛查结果与嵌合类型的关系
CPMⅠ和Ⅲ造成NIPT结果假阳性
True fetal mosaicism Type 5造成NIPT结果假阴性
Grati等(2014)我们对52,673份绒毛样本进行了回顾性分析,对细胞滋养细胞(cytotrophoblast)(直接法)和绒毛间充质(villus mesenchyme)(培养法)进行了细胞遗传学分析,然后对绒毛嵌合病例进行了确证性羊膜腔穿刺。
52,673例患者中,CPM 1型308例,CPM 3型90例,TFM 5型51例;其中CPM1型45例(14.6%),CPM3型13例(14.4%),TFM5 25例(29.4%)涉及常见的13、18、21三体。
CPM 1型和3型确实影响了NIPS的假阳性率,而TFM5型可能是导致灵敏度不佳的主要原因。
嵌合体胎儿风险评估
研究表明,只有Ⅲ型CPM才会导致胎儿宫内生长受限或宫内死亡。怀疑CPM的妊娠应归为高危妊娠,尤其是 2, 3, 7, 13,15, 16 或22号三体CPM ,建议从早孕期开始密切监测胎儿生长指标和筛查胎儿结构畸形。CPM与胎儿生长受限、早产,低出生体重和胎儿结构畸形相关,尤其是 2, 3, 7, 13, 15, 16 或22号三体CPM,其中以16号染色体相关性最强;并且,绒毛高比例三体嵌合或同时合并UPD,与不良妊娠结局具有显著相关性。
Miura等(2006)分析了50例胎儿生长受限(<第5百分位数),发现8例(16%)存在CPM。
Wilkins-Haug等(2006)分析了70例生长受限胎儿,其中11例(15%)存在CPM, FGR发生CPM的概率高于正常胎儿生长。
Eggenhuizen等(2021)从CPM的角度回顾妊娠结局(共纳入70篇文献,328例),发现71.7%的CPM病例经超声评估为FGR,出生体重低于第5百分位者占30.8%,31.0%的病例为早产(<37周分娩)。CPM造成胎儿结构异常率高(24.2%)。CVS的高水平嵌合和单亲二倍体(UPD)的存在与不良妊娠结局显著相关。其中2、16、22三体CPM的发生率较高。建议临床医师从妊娠早期开始密切监测胎儿生长情况,尤其是涉及染色体2、3、7、13、15、16和22。
Grati等(2019)研究了181例CPM,认为只有携带16三体CPM与妊娠结局风险相关(早产、低体重新生儿)(如下表),除T16外,携带CPM妊娠的不良妊娠结局发生率较低。
Wallerstein等(2015)对660例羊水标本中发现的常染色体三体嵌合的预后风险进行了总结,如下:
very high risk(>60%):47,+2/46; 47,+9/46; 47,+16/46; 47,+20/46; 47,+22/46;
high risk(40–59%):47,+5/46; 47,+14/46; 47,+15/46;
moderately high risk(20–39%):47,+7/46;47,+12/46; 47,+17/46;
moderate risk(up to 19%):47,+6/46;47,+8/46。
染色体三体嵌合体是产前诊断中最常见的嵌合体类型之一,不同染色体三体嵌合体的预后不完全一致,需要对以往文献报道病例进行总结分析,以期为胎儿的预后评估提供咨询意见。下面简单列举一些常见染色体三体嵌合体的预后情况,主要参考经典书籍《牛津案头参考手册:临床遗传学》 和相关文献 。各号染色体三体嵌合体更新和更详细的文献回顾分析,可参见《中国产前诊断杂志》三体/UPD系列专题报道。
嵌合型2-三体:绒毛嵌合型2-三体,多数为CPM,绝大多数胎儿出生后表型正常,但部分可存在胎儿生长受限;羊水嵌合型2-三体,胎儿预后不良风险极高(>60%)。
嵌合型3-三体:多在绒毛中被检出,也可在羊水中被检出,在脐血中的报道较少。羊水嵌合型3-三体,胎儿预后不良风险极高(>60%)。
嵌合型7-三体:绒毛阳性率高,而羊水阳性率较低。大多数绒毛嵌合型7-三体是由有丝分裂不分离引起的,一般为CPM。羊水嵌合型7-三体可能会伴随存在UPD(7),后者会导致表现为胎儿生长受限的Silver-Russell综合征。羊水嵌合型7-三体,胎儿预后不良风险中高(20%~40%)。
嵌合型8-三体:胎儿超声可能检出脊柱、心脏、肾脏畸形,一般无胎儿生长受限。有个别文献报道认为羊水检测可出现假阴性,建议采用脐血进行检测。嵌合比例高低不能反应表型的严重程度,胎儿预后不良风险中低(<20%)。
嵌合型9-三体:主要表现为心脏、肾脏、脑和眼畸形等。大多数患儿有严重的智力障碍。羊水嵌合型9-三体,胎儿预后不良风险极高(>60%)。
嵌合型13-三体:主要表现为前脑无裂畸形、脑中线缺陷、面裂及多指/趾等。羊水嵌合型13-三体,胎儿预后不良风险中高(20%~40%)。
嵌合型14-三体:需要注意UPD(14)印记综合征,包括Kagami-Ogata综合征(父源性UPD)和Temple综合征(母源性UPD)。羊水嵌合型14-三体,胎儿预后不良风险较高(40%~60%)。
嵌合型15-三体:绒毛中较多见,建议羊水检测是否存在UPD(15)[Angelman综合征(父源性UPD)或Prader-Wili综合征(母源性UPD)]和潜在的TFM;羊水嵌合型15-三体,胎儿不良预后风险较高(40%~60%)。
嵌合型16-三体:产前可表现为胎盘发育异常,常见的胎儿表型包括早发型(从孕16周起)胎儿生长受限、心脏畸形(室间隔缺损常见)等;常见不良妊娠结局包括自然流产、早产、新生儿死亡、先兆子痫等;脐血中常检测不出。羊水嵌合型16-三体,胎儿预后不良风险极高(>60%)。
嵌合型18-三体:表现为胎儿生长受限、桡骨缺陷、心脏畸形等。羊水嵌合型18-三体,胎儿不良预后风险较高(40%~60%)。
嵌合型20-三体:胎儿超声未检出异常者,约90%出生后预后良好。脐血检测存在假阴性。羊水嵌合型20-三体,胎儿预后不良风险中低(<20%)。
嵌合型21-三体:需仔细筛查21-三体的超声标志物。羊水嵌合型21-三体,胎儿不良预后风险较高(40%~60%)。
嵌合型22-三体:主要表现为心脏、肾脏和耳畸形等。羊水嵌合型22-三体,胎儿预后不良风险极高(>60%)。嵌合型性染色体异常:可表现为外生殖器异常、生育功能缺陷和性腺肿瘤风险增加等。
对于CPM而言,虽然染色体异常只存在于胎盘组织中,但是胎盘细胞的染色体异常可能会导致胎盘功能不全,从而引起胎儿发育异常和不良妊娠结局。据估计约16%~21%的CPM会导致妊娠并发症。染色体非整倍体CPM已被报道与胎儿发育异常和不良妊娠结局相关,如胎儿生长受限、小于胎龄儿、流产、死胎、早产等。但是,目前的一些研究报道尚存争议。
审慎分析嵌合比例与胎儿预后的相关性
产前诊断中相对明确的一个嵌合体评估指标是嵌合比例,参考Martinez-Glez等 根据受累组织异常细胞比例的高低划分为几个等级:
① 轻度:异常细胞<10%;
② 中度:异常细胞10%~30%;
③ 重度:异常细胞30%~50%;
④ 极重度:异常细胞>50%。
过高或过低的嵌合比例,对于临床预后的评估通常不会有太大偏差。
如<10%的低比例嵌合,极低比例的嵌合本身就存在漏检的可能,其潜在的表型效应可能在产前难以有效鉴别或者其表型效应甚微(普通人群中也可能存在一些无明显表型的低比例嵌合个体,当然这并非绝对,临床诊疗中需结合胎儿表型进行评估);
大于>30%的高比例嵌合,属于传统常规技术可以有效检测的比例范围,由文献报道的各类嵌合体病例报道可知其表型效应可能足以在临床诊疗时被识别,当然,文献报道的病例会存在一定的选择偏倚。10%~30%的嵌合比例相对而言属于灰区,其潜在的表型效应难以评估。
过高的嵌合比例对于检测技术而言也存在挑战,如>80%~90%的极高比例嵌合,也可能会被误判为非嵌合型异常。
由于产前样本和表型获取的局限性,缺乏产前相关的有效研究证据,上述嵌合比例的划分主要基于常规技术检测的有效性和可靠性,只能作为产前评估的参考。
某些情况下,嵌合比例与表型的关系可能不是正相关。虽然普遍的观念和一些产后的病例报道认为,嵌合体的临床表现较非嵌合体轻。但是嵌合比例的高低不能作为预后评估的唯一指标,还需要考虑到嵌合体在胚胎期的发生时间,异常细胞的组织分布也是影响表型的重要因素,并且,实验室检测结果必须结合临床指征和胎儿影像学检测结果才能进行综合评估。
染色体嵌合体再发风险评估
胎儿染色体嵌合体的再发风险评估,主要取决于胎儿嵌合体是胎儿体细胞有丝分裂不分离引起,还是父母生殖细胞嵌合体伴随三体自救引起的。产前诊断中检出胎儿染色体嵌合体,对家系再发风险评估需要结合亲代检测结果进行综合分析,基本可分为三种类型:
① 极低风险:胎儿体细胞有丝分裂不分离引起的嵌合体,属于新发的嵌合体,其再发风险极低,通常可以忽略不计;
② 低风险:任一亲代未检出体细胞嵌合体,但不能排除生殖腺嵌合体;
③ 中风险:若亲代为体细胞和/或生殖腺嵌合体,其再发风险高于普通人群。男性可以采集精液进行生殖细胞检测,从而判断是否存在生殖腺嵌合;但女性生殖腺细胞采集较为困难,一般难以直接判断是否存在生殖腺嵌合,临床上往往通过检测多种类型体细胞(如外周血、口腔粘膜、尿液细胞、皮肤)并结合家族史,间接推测是否存在生殖腺嵌合。
因此,若胎儿检出嵌合体,建议采集亲代的外周血、口腔粘膜、精液、尿液、皮肤等不同组织类型样本,应用高敏感性检测技术进行确认。
上述风险的划分主要基于临床实践作为定性参考,目前尚缺乏染色体嵌合体再发风险等级的风险值数据,或许可以大致参考SNV/Indel嵌合体再发风险等级的风险值数据,如低风险和中风险病例的再发风险分别约为0.5%和5%~20%。但是,临床上通常很难区分胎儿嵌合是因有丝分裂不分离、或者三体自救机制所引起的。
因此,即使经验上再次妊娠的风险通常较低,仍应建议再次妊娠时行产前诊断。
综上
不同样本染色体嵌合体发生率的差异;不同的染色体嵌合体检测技术敏感性和特异性存在差异;产前染色体嵌合体与表型或疾病的相关性具有一定程度的不确定性。因此某些情况下需要获取羊水或脐血再验证的必要性。医师需综合各种实验室检测结果、影像学检查结果和临床相关信息,评估遗传学诊断与临床诊断是否相符,并出具遗传咨询意见。基于目前的诊疗手段和医学认知水平,产前诊断中尚无法准确评估染色体嵌合体是否会导致胎儿产生某种异常表型或罹患某种疾病。