精準醫學時代的罕見疾病診斷與治療

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林口長庚醫院 王子豪醫師

  下列的病例,可反映出罕見疾病患者的常見困境,但也揭露了一些令人振奮的精準醫學進展。現年40歲的Elizabeth Davis是一位住在美國北卡羅來納州,有兩個兒子的媽媽。她從六歲開始,就只能踮著腳尖走路,接著出現下肢無力和疼痛,周期性的手臂衰弱,講話越來越不清楚,走路時兩個膝蓋不斷碰撞,腳拇指也捲曲起來。幾十年來她接受了許多檢查,不同的醫師給了不同的診斷,從腦性麻痺到遺傳型痙攣性下肢麻痺(hereditary spastic paraplegia),但從來沒有一個醫師能夠確診。在2012年,她終於能夠參加一個北卡羅來納大學的臨床試驗,DNA定序的結果顯示她的GCH1基因突變可能是病因,而且這個突變顯示她可能對levodopa治療有反應,開始治療後三天,她的腳拇指就不再捲曲,兩個月後她可以不用拐杖走路,這是她17年來首度能夠自行走路。

  值得大家關注的是,Elizabeth只是罕見疾病患者中的罕見幸運兒;大部分的罕見疾病患者無法得到有效地治療,許多患者甚至連確切診斷也沒有。罕見疾病定義,隨不同的國家而不同(下表)

精準醫學時代的罕見疾病診斷與治療_1

 

  雖然名稱叫罕見疾病,但全球的患者加總起來,估計有三億五千萬罕見疾病患者。這個數目,就比人口數目排行全世界第三位的美國(估計有325,757,000)還要多。罕見疾病患者數目會這麼多的原因,就是罕見疾病據統計已經有7000多種(下表)。

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  次世代定序技術 (next generation sequencing, NGS) 對兒童的遺傳疾病診斷已有優異的表現。一個研究資料顯示,全基因體定序可獲得34%的正確診斷,這比傳統使用染色體晶片分析和選擇性定序只能獲得13%的正確率,還要高出許多。而80%罕見疾病是遺傳性疾病,應用次世代定序技術更是重要。

  但是,診斷疾病的次世代定序資料分析並非易事。一個研究顯示,給9個分子診斷實驗室分析99個遺傳性疾病,只有33個病例能獲得一致的診斷,即使經過再三的討論,也只有71%病例能獲得一致的診斷。既然病人的DNA序列都已經知道,為什麼要得到一致的疾病診斷仍然這麼困難呢?理由之一,就是每一個基因體都帶著太多的序列差異(DNA突變)。哪些差異的DNA序列是無害的?這有待於比對於日漸累積的健康人DNA序列資料庫,參見本學會已刊登過的新知分享:「Exome Aggregation Consortium (ExAC):鑑定致病基因的重要資料庫」。

  另外,即使是單基因造成的疾病 (single-gene disease),到底哪些序列差異能造成疾病?更不用說,有許多疾病是由多個序列差異共同造成。許多國際醫療中心都各自開發疾病診斷的基因資料庫,所以,非同一單位的臨床醫師和遺傳學家很難利用這些資料庫來協助診斷。國際學者最近開發出一個整合分析資料的單一窗口: The Matchmaker Exchange (MME) (下圖)。這個MME資料庫的特點就是:各個醫學中心的資料庫各自管理、維護,以確保臨床表現型與DNA序列比對的更新和正確性;而每個資料庫同意使用共同標準化的API (standardized Application Programming Interface) 來互通資料,和方便使用者搜尋時的效能。精準醫學時代的罕見疾病診斷與治療_3

 

  下列兩個例子,可以再次反映罕見疾病診斷的不容易,和獲得診斷時的價值。Jill Viles本身是位主修遺傳學的大學生,她從小就四肢細小,無法正常長肉,十幾歲時肌肉就萎縮到無法騎腳踏車,即便如此,醫師從來無法給她確定診斷。當她在課堂上看到Emery-Dreifuss muscular dystrophy患者的圖片時,她大吃一驚,因為那些圖片就和自己一模一樣。她將這些資料給許多醫師看,直到一位心臟科醫師願意替她做次世代定序,最後才確定診斷這種罕見疾病。另外,Sophia Mercer的女兒,在五歲時經次世代定序得知有DYRK1A基因突變,雖然確定診斷並未幫助治療,她的女兒到現在九歲還需要穿尿布,受驚嚇時會掩蓋耳朵不顧危險的逃竄,但至少學校的老師知道她並不是注意力不足過動兒(ADHD),Sophia在確認這個診斷後,也能透過網路獲得全球DYRK1A突變病患團體的支持。

  罕見疾病的基因診斷,即使是遺傳專科醫師也很難跟得上龐大的知識進展。有一個臨床試驗 The MedSeq Project,就設計來評估醫師和病人對於「臨床上使用全基因體定序」的態度和治療方針的是否調整。這個臨床試驗仍在收案中,最後正式結果尚未出爐。但是,一位參與臨床試驗的哈佛大學遺傳學家Heidi Rehm表示:參與研究的臨床醫師都能很快地將基因體定序檢驗和判讀併入臨床業務,即便這些醫師本身並非遺傳學專家。所以她認為,最後的關鍵只在於:「醫師是否願意幫病人開立基因體定序檢驗,並正確的解釋資料給病人?」

  延伸閱讀:

  1. Sohn E. A clear answer. Nature (2016) 537: S64-S65.
  2. Johnson JP. Diagnosing rare diseases. Journal of Precision Medicine (2016) March/April issue: 12-13.
  3. Philippakis AA, et al. The matchmaker exchange- a platform for rare disease gene discovery. Human Mutation (2015) 36: 915-921.
  4. Vassy JL, et al. The MedSeq project- a randomized trial of integrating whole genome sequencing into clinical medicine. Trials (2014) 15: 85.

Exome Aggregation Consortium (ExAC): 鑑定致病基因的重要資料庫

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林口長庚紀念醫院 王子豪醫師

  在許多疾病和基因突變的關聯研究 (disease-association studies)中,某些基因突變被認定為致病性 (pathogenic),主要由於該突變在疾病族群中的發生率很高,而被認為有重大嫌疑。因為在人體上,無法像動物模式可以利用基因剃除 (gene knock-out)的方式來驗證突變的致病性,所以許多的人類基因突變就無法洗脫致病的嫌疑。然而,當我們有夠大的人類基因資料庫的時候,如果這些基因突變的發生率也很高,也可以減少它的致病嫌疑。現在我們就有一個六萬人的外顯體資料庫 (ExAC: Exome Aggregation Consortium, http://exac.broadinstitute.org/) 可以使用,預計在2017年就能收錄超過十三萬人的資料。

  現有六萬人ExAC資料庫當中,平均每八個外顯子(exon) DNA序列就有一個突變的記載 (下圖),族群涵蓋更收錄了一萬多個人亞洲人的基因資料,對於台灣的臨床遺傳實驗室應是大有幫助。

Exome Aggregation Consortium (ExAC) 鑑定致病基因的重要資料庫_1

  下例可顯示ExAC資料庫的臨床用途。造成神經退化的prion疾病是由於prion蛋白的折疊異常所造成。一個16,000人的prion疾病資料庫顯示,有63個PRNP基因突變已認為能造成prion蛋白的異常折疊。根據這個疾病發生率: 每一百萬人每年可有兩例發生疾病來計算,在這個ExAC資料庫中應該只會找到1.7個人帶有PRNP突變;然而ExAC資料庫共鑑定出52個人帶有PRNP突變 (下圖)。這樣的證據顯示,那些從前被認為會造成prion疾病的PRNP基因突變,並不一定能確認為致病性。如此資料對於那些帶有某些PRNP基因突變 (例如M232R) 的人,不啻為一大福音。

Exome Aggregation Consortium (ExAC) 鑑定致病基因的重要資料庫_2

 

  引伸閱讀:

  1. Hayden EC. Seeing deadly mutations in a new light. Nature (2016) 538: 154-157.
  2. Lek M, et al. Analysis of protein-coding genetic variation in 60,706 humans. Nature (2016) 536: 285-291.
  3. Minikel EV, et al. Science Translational Medicine (2016) 8: 322ra9.