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c) Miiglichkeiten und Grenzen der Diagnostik dutch Amniozentese Referat 1

Genetische Grundlagen W. Fuhrmann, Inst. f. Humangenetik d. Univ. Giegen Die pr/inatale Diagnostik durch Amniozentese bezieht sich mit ganz wenigen Ausnahmen, zu denen etwa der R6telnvirusnachweis oder die direkte Erkennung von /iuBerlich sichtbaren, exogen entstandenen Fehlbildungen durch Fetoskopie rechnen, auf genetisch bedingte St6rungen oder jedenfaUs krankhafte Ver/inderungen am genetischen Material. Die Amniozentese selbst bleibt mit einem gewissen Risiko behaftet, die notwendigen Laboruntersuchungen sind aufwendig. Sie sind im allgemeinen nur gezielt m6glich und sinnvoll. Die Indikation zum Eingriff h/ingt deshalb davon ab, dab ein erh6htes Risiko ffir eine bestimmte St6rung beim Feten festgestellt wird und dab es verl/iBliche Methoden zum Nachweis oder AusschluB dieser Anomalie aus dem Fruchtwasser oder den darin enthaltenen fetalen Zellen gibt. Beides ist an genetische Voraussetzungen und Uberlegungen gebunden. Das Risiko ffir eine Trisomie oder eine andere Chromosomenanomalie beim Feten kann zwischen 0,5 und 100% liegen. Seine korrekte Beurteilung h/ingt oft von der zytogenetischen Analyse bei den betroffenen Verwandten oder bei den Eltern ab. Bei normalem Karyotyp der Eltern ist das Risiko von deren Alter beeinfluBt. Die Feststellung des Risikos ffir das Auftreten yon erbliehen Stoffwechselleiden bei einem Feten ist aufgrund der Kenntnis des Erbgangs und der Familienanamnese m6glich. Typische Werte liegen zwischen nahezu 0 und 50%. Das Risiko f/Jr ZNSMiBbildungen, die grogenteils fiber das oq-Fetoprotein erfabbar sind, kann ebenso wie das fiir ~iuBerlich sichtbare, mit zunehmender Sicherheit mittels Fetoskopie erkennbare MiBbildungen mit statistischen Methoden, der sogenannten empirischen Erbprognose, angegeben werden. Es betr/igt meist zwischen 2-4%, nicht selten aber auch 10% und mehr. Die Feststellung eines geschlechtsgebundenen Erbgangs eines in einer Familie bekannten Leidens er6ffnet, falls angenommen werden mug, daB eine Frau (Jbertr~igerin ist, die M6glichkeit der Einengung des Risikos durch die Geschlechtsbestimmung beim Feten. Die Beurteilung des fetalen Risikos erfordert in jedem Einzelfall eine pr~izise genetische Analyse. Auf eine genaue eigene und Familienanamnese sollte auch dann nicht verzichtet werden, wenn das mfitterliche Alter die Indikation bestimrnt. Sehr oft ergeben sich zus~itzliche Uberlegungen oder Hinweise auf notwendige spezielle Untersuchungen. Das heigt nicht, dab in jedem Fall ein Humangenetiker eingeschaltet werden mfiBte. Gerade wenn die Altersindikation im Vordergrund steht, kann ein auf diesem Gebiet erfahrener Frauenarzt die Beratung selbst fibernehmen. Er mug

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allerdings bereit sein, die Zeit aufzuwenden, die die eingehende Anamnese und die Beratung erfordern, under muB die einschl~igige Literatur verfolgen. Gerade bez/iglich der vom Alter der Eltern abgeleiteten Indikation hat sich z. B. die Meinung in neuerer Zeit deutlich gewandelt. Nicht nur zeichnet sich ab, dab auch das v/iterliche Alter von Bedeutung ffir die H~iufigkeit yon Trisomien sein kann, der Anstieg mit dem miitterlichen Alter ist nach den Daten aus mehreren Tausend Amniozentesen bei/ilteren Gravida hSher als bisher vermutet. Nach den Daten aus dem Schwerpunktprogramm der DFG ,,Pr/inatale Diagnose" in Deutschland, schottischen Daten und kanadischen Daten betr/igt das Risiko f/ir eine Trisomie des Feten bei Gravidit/iten yon Frauen zwischen 35 und 38 Jahren 0,4-1,2%, im Alter yon 38-40 Jahren 2,2-3,5% und fiber 40 Jahren 3,6-5%. Auch wenn man in Rechnung stellt, dab ein Teil dieser Schwangerschaften mit einem Spontanabort enden wfirde und retrospektive Erhebungen fiber Neugeborene sehon daher f/Jr Trisomien niedrigere Zahlen braehten, folgt daraus wohl doch, dab die Altersgrenze, von der an der Eingriff empfohlen werden sollte, richtiger bei einem mfitterlichen Alter von 35 als yon 38 Jahren anzunehmen ist. Die genetischen und zellphysiologischen Grundlagen dieses Alterseffekts sind nach wie vor ungekl/irt. Auch bei hSherer Strahlenbelastung einer Frau selbst 1/ingere Zeit vor der Konzeption sollte eine Amniozentese erwogen werden, da es Hinweise darauf gibt, daB dadurch die H~iufigkeit yon Chromosomenaberrationen beim Feten erhSht werden kann. Die Methoden der pr/inatalen Diagnostik nach Amniozentese entstammen grSl3tenteils der Genetik: Durch die Amniozentese werden Fruehtwasser und noch lebende, abgeschilferte fetale Zellen gewonnen, die wahrscheinlich vorwiegend aus den Atem- und Harnwegen des Feten stammen. Voraussetzung ffir die Diagnose ist es, dab der infrage stehende genetische Defekt an diesem Material erkennbar ist. Biochemische Untersuchungen am Fruchtwasser haben bier, mit Ausnahme der Erkennung der medialen Schlul3st6rungen des Neuralrohres durch Nachweis eines hohen c~l-Fetoproteinspiegels, bislang eine geringere Bedeutung erlangt. Dieser Bestimmung liegt ein massiver Ubertritt eines speziellen, normalen fetalen Proteins wahrscheinlich durch Ubergang des Liquors des Feten in das Fruchtwasser zu Grunde. Ein erh6hter o~l-Fetoproteinspiegel findet sich im Fruchtwasser aul3erdem u. a. bei kongenitaler Nephrose und Oesophagusatresie. Hier ist die ErhShung weniger hoch und hat andere Grundlagen, wie wahrscheinlich vermehrte Ausscheidung des o~Fetoproteins mit dem fetalen Urin bei der kongenitalen Nephrose oder verz6gerter Abbau der Substanz durch mangelnde Fruchtwasseraufnahme des Feten bei Oesophagusatresie. Eine besondere Schwierigkeit ffir die Erkennung yon Stoffwechseldefekten aus Fruchtwasserver/inderungen bietet unsere besehr/inkte Kenntnis fiber Entstehung und Physiologie des Fruehtwassers, dessen Zusammensetzung yon kindlichen und maternalen Faktoren bestimmt wird, so dab schwer zu analysierende Flief3gleichgewichte bestehen. Defekte Stoffwechselfunktionen des Feten k6nnen zudem durch m/itterliche Funktionen ersetzt werden. Eine wesentlich grSf3ere Bedeutung hat deshalb die Untersuchung der fetalen Zellen. Grundlage dieser Untersuchungen ist die Kenntnis, dab jede Zelle des sich entwickelnden Organismus die gleiche genetische Ausstattung erh~ilt. Jede Zelle erlaubt also im Prinzip Rfickschlfisse auf den gesamten Organismus. Auch hier ist aber die Information indirekt. Selbst die Chromosomenanalyse an diesen Zellen

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schlieBt Zwischensehritte ein, die zu fehlerhaften Interpretationen f/jhren k6nnen. Bevor eine gen/jgende Anzahl f/Jr die Analyse geeigneter Metaphasen verf/jgbar ist, durchlaufen die Zellen mehrere Teilungen in der Kultur. Dabei kann es zu Unregelm~igigkeiten kommen. Polyploidie ist ein recht h~iufiges Ereignis. Auch sonst k6nnen in der Kultur aberrante Zellen und Zellst/imme auftreten und damit Fehler vort/iuschen, die beim Feten nicht vorhanden sind. Der erfahrene Untersucher wird sie nach Art und H/iufigkeit ibres Auftretens meist korrekt einordnen k6nnen. Stellt der Embryo selbst tats/ichlich ein Chromosomen-Mosalk dar, so kann unter Umst/inden von mehreren im Feten vorhandenen Zellinien nur ein Zelltyp, ein Karyotyp in der Amnionkultur erscheinen. Eine Fehldiagnose kann resultieren. Nur selten kommt es offenbar bei korrekter Teehnik zur Kultur m/jtterlichen Gewebes, Verwechslungen mit fetalem Gewebe k6nnen hier zus~itzlieh dadurch ausgeschlossen werden, dab aus dem Fruchtwasser kultivierte und aus einer parallel angelegten Blutkultur der Mutter gewonnene Chromosomen mit verschiedener Bandentechnik gef/irbt und auf das Vorhandensein unterschiedlicher h/iufiger Varianten gepr/jft und verglichen werden. Die spezielle Irrtumsm6glichkeit, die zweieiige Zwillinge bieten, kann durch die Ultraseball-Diagnose der ZwiUingsschwangerschaft vermieden werden. Auch die Diagnose biochemiseher Defekte aus der Zellkultur beruht darauf, dab jede Zelle unseres K6rpers alle Gene enth/ilt. Es ist aber praktisch kaum m6glich, an nativem Material reproduzierbare Bestimmungen vorzunehmen. Im Fruchtwasser finden sich mehrere verschiedene Zelltypen, zudem sind die Zellen in sehr unterschiedlichem Zustand. Nur ein Tell der Zellen ist noch teilungsf~ihig, viele sind bereits abgestorben. Entsprechend unterschiedlich ist die biochemische Aktivit/it. Auch f/Jr die biochemische Auswertung m/jssen deshalb zun~iehst in der Kultur Zellst/imme mit stabilem Wachstum etabliert werden. Das Wesen einer genetisch bedingten Stoffwechselst6rung liegt im Prinzip im Ausfall eines Genprodukts, d. h. in der Regel, eines Enzyms. Dieser kann direkt gemessen werden, am Anstau yon Substanzen vor dem Block oder am Ausfall des Endprodukts erkannt werden. Vor allem die ersten beiden M6glichkeiten werden genutzt - durch Nachweis der Speicherung pathologischer Substanzen in den Zellen oder durch Bestimmung der Enzymaktivit/it. In jedem Fall sind die Kulturbedingungen und das Wachstumsverhalten der Zellen sorgf/iltig zu ber/jcksichtigen. Die Gefahr unspezifischer Speicherung ist zu beachten. Als Vergleichsparameter f/jr die Enzymmessung dienen das Gesamtprotein der Zellen oder geeignete Vergleichsenzyme. Die Schnelligkeit der Diagnose wird entscheidend von den Erfordernissen an die Zellmenge f/jr den jeweiligen Test bestimmt. Die Entwicklung empfindlicherer Mikromethoden hat bier wesentliche Fortschritte gebracht. Eine Grenze der pr/inatalen Diagnostik aus der Zellkultur liegt aber in der genetischen Programmierung der Zelle. Zwar besitzt jede Zelle unseres KSrpers alle Gene, aber yon 100 000 oder mehr Genen ist jeweils nur ein bestimmter Anteil aktiv. Diese Genaktivit~it wird yon Kontrollmechanismen gesteuert, die bei h6heren Organismen noch ungen/jgend aufgekl/irt sind. Sie wechselt in der einzelnen Zelle mit der Zeit. Die Differenzierung einer ZeUe schlieBlich f/jhrt zur Fixierung bestimmter Aktivit~itsmuster. F/jr die pr/inatale Diagnose stehen uns nur epitheloide ZeUen und Fibroblasten des Feten zur Verf~gung. An diesen kann ein Stoffwechseldefekt nur dann festgestellt werden,

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wenn das entsprechende normale Gen in diesem Gewebe bei gesunden Feten aktiv ist, d. h., wenn in entsprechenden Kulturen von Zellen solcher Feten eine bestimmte Enzymaktivit/it regelm/iBig nachweisbar ist und diese bei Kulturen von erbkranken Feten fehlt oder im Vergleich zu anderen Enzymen erheblich erniedrigt ist. Unter Umst/inden wird dies auch daran erkennbar, dab diese Zellen von betroffenen Feten regelm/iBig abbaupflichtige Substanzen speichern, w/ihrend Zellen yon gesunden Feten unter gleichen Bedingungen das nicht tun. Leider ist deshalb gerade f/Jr viele der h/iufigsten Erbleiden eine pr/inatale Diagnose noch nicht mfglich. Hierzu geh6ren zun/ichst einmal alle Erbleiden, bei denen der prim/ire Gendefekt noch nicht bekannt ist, wie z. B. die Mucoviscidose. Dann aber auch alle Erbleiden mit sp/iterer Manifestation oder der Manifestation des prim/iren Defekts nur an Geweben, die ffir die pr/inatale Untersuchung nicht zug/inglich sind. Auf verschiedenen Wegen wird versucht, diese Schranken zu /iberspringen. Technisch ist es heute bereits m6glich, durch Punktion von Plazentagef/iBen unter fetoskopischer Sicht Blut des Feten zu gewinnen. Die Verfahren stehen noch am Anfang. Auf diese Weise wird es aber sicher zuverl/issig m6glich werden, etwa pathologische fetale H/imoglobine naehzuweisen. Die Diagnose der Sichelzellan/imie oder der Betathalassaemie ist bereits gelungen. Bei allen plazentag/ingigen Substanzen im Blut und Serum des Feten wird man pathologische Ver/inderungen kaum erfassen k6nnen, da die m/itterlichen Organe eine fehlende Funktion fibernehmen werden. Bei der Phenylketonurie etwa wird man deshalb im Blut des Feten eine signifikante Phenylalaninerh6hung kaum erwarten dfirfen. Eine Biopsie anderer Organe des Feten, etwa der Leber, dfirfte auch mit verbesserter Technik schwer durchf/ihrbar und yore Risiko her kaum zu vertreten sein. Ein anderer Weg bietet sich an: Wir kennen das Ph/inomen einer Dedifferenzierung von Zellen, einer Wiederaufnahme yon Funktionen, die in der Differenzierung abgeschaltet wurden. In einer differenzierten Zelle abgeschaltete Gene sind ja nicht vernichtet, sondern nur dauerhaft inaktiviert. Es m/il3te danach m6glich sein, diesen Block aufzuheben. Hat die Zelle die normale Geninformation, so mfiBte dann das normale Genprodukt auftreten. Ist sie genetisch defekt, w/ire ein defektes oder gar kein Genprodukt zu erwarten. Versuche, auf diese Weise etwa Leberenzyme in Fibroblasten in der Kultur zu aktivieren, ffihrten noeh nicht zu fiberzeugenden Erfolgen. So wurde in Hinsicht auf die m6gliche Diagnose der Phenylketonurie aus Fibroblastenkulturen versucht, Fibroblasten in tyrosinarmem Medium zur Aktivierung des Phenylalaninhydroxylase-Gens zu stimulieren. Eine gewisse Enzymaktivit/it wurde auch nachgewiesen. Es ist vorstellbar, dab andere, zuverl/issigere Wege gefunden werden, abgeschaltete Gene zu aktivieren. Vielleicht k6nnte das auch gezielter und regelm/iBiger geschehen, wenn die Kontrollmeehanismen der Genaktivit/it bei h6heren Zellen besser aufgekl~irt sind. In dieser Hinsicht gibt es in letzter Zeit interessante Fortschritte. Ffir die pr/inatale Diagnose ergibt sich aber eine zus/itzliche Schwierigkeit: Es wird kaum gelingen, die Aktivierung eines bestimmten Gens so regelm/iBig zu erreichen, dab ihr Ausbleiben mit Sicherheit auf das Fehlen der betreffenden genetischen Information schlieBen lassen wfirde. Gfinstiger w/ire die Aussicht ffir die F/ille, in denen als Folge der Aktivierung ein pathologisches Genprodukt nachweisbar w/irde, etwa ein Enzym mit ver/inderten elektrophoretischen Eigenschaften. Das abet ist in den wenigsten Fgllen zu erwarten. Von groBem Interesse sind deshalb Hinweise

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darauf, dab auch ,,abgeschaltete" Gene bei Einsatz entsprechend sensitiver Nachweismethoden eine Restaktivit~it erkennen lassen, die f/jr die Diagnose gen/jtzt werden k6nnte. Es kommt ja aber bei der pr/inatalen Diagnose nicht nur darauf an, kranke Feten zu entdecken. Der Nachweis, dab ein bestimmter Fet nicht betroffen ist, kann entscheidend dazu beitragen, dab diese Schwangerschaft erhalten bleibt. Auch wenn dieser Nachweis auf dem geschilderten Weg nur bei einem Teil der Risikoschwangerschaften f/jr ein bestimmtes Leiden gel~inge,w~ire das deshalb ein wichtiger Fortschritt. Mit dem gleichen Argument setzt man schlieBlich heute schon die pr/inatale Geschlechtsdiagnose bei geschlechtsgebunden-erblichen Krankheiten ein, auch wenn man die Krankheit selbst nicht beim Feten nachweisen kann. Ein Beispiel daf/jr steht mir deutlich vor Augen: Eine Frau hatte ihren Bruder und in erster Ehe zwei S6hne an einer Haemophilie A verloren, sie war also sichere Ubertr/igerin dieses Xchromosomalen Gendefekts. Die Ehe wurde geschieden. Im Alter yon 39 Jahren war sie in 2. Ehe wieder gravide. Wegen der tragischen Erfahrung wurde eine Abruptio erwogen. Der Nachweis eines normalen weiblichen Karyotyps des Feten erlaubte die Versicherung, dab dieses Kind nicht an einer Haemophilie leiden w/jrde und f/jhrte zur Erhaltung der Schwangerschaft. Ich konnte Ihnen nur einige Grenzen und M6glichkeiten der pr~inatalen Diagnosilk aus genetischer Sicht aufzeigen. Hoffentlich ist eines aber deutlich geworden: Optimale Ergebnisse und Weiterentwicklung der Methode h/ingen yon enger Zusammenarbeit zwischen Kliniker, Humangenetiker, Zytogenetiker, Biochemiker und ggf. auch dem Molekulargenetiker ab. Auch im Einzelfall ist Teamarbeit erforderlich, wenn optimale Information erreicht werden soil. Diese Teamarbeit muB in vielen F/illen sch0n lange vor der geplanten Amniozentese beginnen. Gerade bei Stoffwechselst6rungen muB oft eine ffir klinische Zwecke roll ausreichende Gruppendiagnose vor der pr/inatalen Diagnostik durch eine Diagnose der spezieUen Krankheitsform, des speziellen genetischen Defekts, ersetzt werden. Hier k6nnen Untersuchungen kranker Geschwister oder heterozygoter Eltern entscheidende Aufschl/jsse f/Jr die Untersuchung der immer nur in beschr~inkter Menge verfiigbaren fetalen Zellen geben.