染色体微阵列的原理与临床应用
Progeria syndrome
A point mutation of the LMNA gene
复，被収现广泛存在于人类基因组中[1,2]。已有大量研究证实CNVs
不许多疾病相关，包括数百种染色体微缺失、微重复综合征，是先
天畸形和神经収育障碍的主要遗传病因，包括智力低下(mental
retardation, MR)[3,4]，自闭症 (autism)[5-7], 精神分裂症
(Schizophrenia)[8,9]等。
出生缺陷
也称先天异常，是指由于遗传因素、环境因素或两者 共同作用于孕前或孕期，引起胚胎或胎儿在发育过程中 发生解剖学结构和/或功能上的异常。 2012年卫生部统计我国出生缺陷率达5.6%，每年新增 出生缺陷患儿90-120万例。 随着二胎政策的全面放开，孕妇年龄增加及环境因素 影响，估计出生缺陷数量还会增加。 保守估计，我国有上千万的罕见病群体，几乎无法得 到有敁诊断和治疗，甚至遭到严重歧视。
longevity
More than 150 genes prevents cholesterol buildup
精确控制胚胎发育和分化的每一个步骤; 决定了个体的所有生命特征; 决定了个体患各种疾病的可能性.
遗传病：遗传物质发生突变所引起的疾病。 种类：确定的遗传疾病超过7000种。 1、单基因病--涉及一对基因，AR、AD、XR、XD、Y连 锁遗传病。隐性遗传4000，显性遗传3000。 2、多基因病--多对基因和环境共同作用所导致的疾病。 3、染色体病--数目异常及结构异常引起的疾病。 4、体细胞遗传病--体细胞突变如肿瘤。 5、线粒体病--线粒体功能异常为主要起因的一大类疾病。 特征：垂直传递、终生性、发病率低、危害严重、家族性 发病、多无有效治疗。成为危害人类健康的主要疾病。
染色体微阵列技术原理 与临床应用
广州医科大学金域检验学院 袁海明
一.出生缺陷概念及导致出生缺陷的主要原因（熟悉） 二.遗传病常见诊断方法及比较（重点掌握） 三.染色体微阵列技术临床应用（重点掌握） 四.病例分享（了解） 五.染色体微阵列技术局限性、结果判读及带来的挑战(了解)
一.出生缺陷概念及导致出生缺陷的主要原因
Genetic/Genomic Disorders
Genomic disorders (number) Trisomy 21 Trisomy 18 Trisomy 13 Mosaic trisomies of other chromosomes
Genomic disorders (structure) More than 400 known disorders
First-generation-Sanger method Novel sequencing techniques
传统核型分析技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传统核型分析技术
是目前较为成熟的遗传性疾病诊断技术
染色体数量变化、平衡、不平衡易位、转位和显微镜下 可见的大片段缺失和重复。
绒毛活检取材
孕中期羊膜腔穿刺羊水 细胞培养
出生缺陷
出生缺陷
遗传因素
染色体异常（所有新生儿中，染色 体异常占0.92%，多为新发而非遗 传）
单基因突变（多为孟德尔遗传，少 数为新发）
环境因素（理、化、生物因素、生活方式）
遗传+环境因素
基因组：细胞核DNA成分和线粒体DNA分子的总和 基 因: 基因组内一个个具体的结构和功能单位 染色体：基因的载体
Monogenic disorders Dominant (4,000) Recessive (3,000)
Multigenic disorders Genes + Environments
拷贝数发异(copy number variants, CNVs)指大于1 kb染色体发
异（基因组发异），包括核型分析检测丌到的基因组微缺失和微重
Fu et al. Identification of copy number variation hotspots in human populations. Am J Hum Genet. 2010;87(4):494-504.
二.遗传病常见诊断方法及比较
遗传病的诊断
染色体核型分析Karyotyping 荧光原位杂交 Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) 染色体微阵列技术Chromosomal microarray analysis (CMA) MLPA和PCR相关技术 测序技术
染色体核型分析
核型分析局限性
材料受限，需要新鲜的组织、血样进行活细胞培养 不能分辨长度在10Mb以下染色体片断的缺失、重复或易位 染色体亚端粒区域异常诊断率较低 不能检测LOH和UPD
[1] Feuk et al. Hum Mol Genet, 2006,15(1):R57–66. [2] Freeman et al. Genome Res, 2006, 16:949–961. [3] Friedman et al. Am J Hum Genet, 2006, 79:500–513. [4] Wagenstaller et al. Am J Hum Genet, 2007, 81:768–779. [5] Marshall et al. Am J Hum Genet, 2008, 82:477–488. [6] Sebat et al. Science, 2007, 316:445–449. [7] The Autism Genome Project Consortium. Nat Genet, 2007, 39:319–328. [8] Stefansson et al. Nature, 2008, 455:232–236. [9] Walsh et al. Science, 2008, 320:539–543.
染色体微阵列技术在神经遗传病诊断的应用
分类
神经系统遗传病分为四大类 4. 染色体病 染色体数目&结构异常所致 先天愚型体细胞中多一个21号染色体(21三体)
染色体微缺失或微重复
症状 体征&诊断
1. 神经系统遗传病症状体征多样 包括共同性&特征性症状
(1) 共同性症状&体征
智能发育不全\痴呆&行为异常 语言障碍\痫性发作&眼球震颤 不自主运动\共济失调&行动笨拙 瘫痪\肌张力增高\肌萎缩&感觉异常 面容异常\五官畸形\脊柱裂&弓形足 指趾畸形\皮肤毛发异常&肝脾肿大
常用的检测方法
染色体数量&结构 \DNA分析 \基因产物检测
染色体检查: 数目异常&结构畸变 染色体>&<23对 染色体断裂后导致缺失\倒位\重复\易位等畸变 检查: 先天愚型患儿&双亲 精神发育迟滞伴体态异 常 多次流产的妇女&丈 夫 生过先天畸形病儿的
双亲
遗传病诊断
可检出
DNA缺失\重复
(4) 遗传物质&基因产物检测
DNA双螺旋结构模型; 第一代测序技术
第二代、第三代、第四代测序技术
遗传学发展史
1956年 1970年 1980年 1986年 1992年 1997 年
• 确认正常人体细胞有46条染色体
• 染色体带型显现技术出现。
• 染色体高分辨率分析技术出现
• 荧光原位杂交技术( FISH )应用于染色体分 析
神经遗传代谢病？
同胞或近亲中发现相同类型的神经性疾病 复发性、发作性意识障碍 不能解释的痉挛步态、小脑共济失调和锥体外系异常综合
征症状 进行性发展的神经性疾患 一个同胞或近亲有精神发育不全 不伴先天躯体异常的精神发育迟缓
2014年染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用专家共识
染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用专家共识染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用协作组目前，G 显带染色体核型分析技术仍然是细胞遗传学产前诊断的“金标准”，但该技术具有细胞培养耗时长、分辨率低以及耗费人力的局限性。
包括荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization，FISH) 技术在内的快速产前诊断技术的引入虽然具有快速及特异性高的优点，但还不能做到对染色体组的全局分析。
染色体微阵列分析(chromosomal mlcroarray analysis，CMA) 技术又被称为“分子核型分析”，能够在全基因组水平进行扫描，可检测染色体不平衡的拷贝数变异(copy number variant,CNV)，尤其是对于检测染色体组微小缺失、重复等不平衡性重排具有突出优势。
根据芯片设计与检测原理的不同，CMA 技术可分为两大类：基于微阵列的比较基因组杂交(array- based comparative genomic hybridization ，aCGH) 技术和单核苷酸多态性微阵列(single nucleotide polymorphism array，SNP array) 技术。
前者需要将待测样本DNA 与正常对照样本DNA 分别标记、进行竞争性杂交后获得定量的拷贝数检测结果，而后者则只需将待测样本DNA 与一整套正常基因组对照资料进行对比即可获得诊断结果。
通过aCGH 技术能够很好地检出CNV，而SNP array 除了能够检出CNV 外，还能够检测出大多数的单亲二倍体(uniparental disomy，UPD) 和三倍体，并且可以检测到一定水平的嵌合体。
而设计涵盖CNV+SNP 检测探针的芯片，可同时具有CNV 和SNP 芯片的特点。
2010 年，国际细胞基因组芯片标准协作组(lntemational Standards for Cytogenomic Arrays Consortium，ISCA Consortium) 在研究了21698 例具有异常临床表征，包括智力低下、发育迟缓、多种体征畸形以及自闭症的先证者的基础上，发现aCGH 技术对致病性CNV 的检出率为 12.2%，比传统G 显带核型分析技术的检出率提高了10%。
染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用指南(2023)解读PPT课件
高分辨率
该技术具有高分辨率的特点，能 够检测到较小的染色体变异，包
括微缺失、微重复等。
自动化程度高
染色体微阵列分析技术实现了自 动化操作，提高了检测效率和准
确性。
技术优势
检测范围广
该技术能够检测多种类型的染色 体变异，包括数目异常和结构异
常等。
准确度高
与传统的核型分析相比，染色体微 阵列分析技术具有更高的准确度和 灵敏度，能够检测到更小的染色体 变异。
采集时间
孕妇外周血样本应在孕12周后进行采集，以确保胎儿DNA在母 血中达到一定浓度。
采集方法
采用无菌技术抽取孕妇静脉血，避免溶血和污染。
样本制备
将抽取的血液样本进行离心分离，提取血浆中的游离DNA，并 进行纯化和浓缩处理。
芯片杂交与扫描
芯片选择
选择具有高分辨率、高灵敏度和高特异性的染色体微 阵列芯片。
临床应用前景
早期筛查
染色体微阵列分析有望应用于孕早期筛查，实现对染色体异常的 早期发现和干预。
精准诊断
该技术能够对染色体微小变异进行精准检测，有助于实现精准诊断 和个性化治疗。
遗传咨询
通过染色体微阵列分析，可以为孕妇提供更准确的遗传咨询，帮助 她们做出更明智的决策。
挑战与问题讨论
技术成本
目前染色体微阵列分析技术成本较高 ，可能限制其在临床的广泛应用。
杂交过程
将制备好的DNA样本与芯片进行杂交，确保杂交过程 充分且均匀。
扫描成像
使用高分辨率扫描仪对杂交后的芯片进行扫描，获取 高质量的荧光信号图像。
数据分析与解读
01
数据预处理
对扫描得到的荧光信号图像进行 预处理，包括背景校正、信号归 一化等。
【培训课件-临床基因组学】_第五章 染色体微阵列分析-MYX-广州医学大学
第五章 染色体微阵列分析Chromosomal Microarray Analysis, CMACMA的技术原理123Contents目录CMA相关的基本概念和术语CMA的实验流程临床案例l孕18周，产前超声显示胎儿羊水量多，侧脑室增宽（16mm，正常值小于等于10mm），宫内发育迟缓，心脏强回声l应该采用什么样的产前诊断方法？羊水染色体核型分析结果：46，XX 未检测到异常羊水CMA 结果：chr4p16.3区域 del CNV 大小：3.9MbWolf-Hirschhorn 综合征(WHS)。
发生率为1/50 000，男女患者比例为1:2。
临床表现：特殊面容，严重的生长发育迟缓，智力低下，癫痫。
可伴有心脏缺损，脊柱弯曲及骨骼系统发育不良等症状。
拷贝数变异Copy number variation(CNV)基因组上的结构变异，包括缺失和重复。
总长度占基因组的13%，大小从1kb到几Mb不等。
举例：正常基因组顺序 A-B-C-Da duplication of "C" A-B-C-C-Da deletion of "C" A-B-D拷贝数变异CNVsl不同的CNV对于人类表型有不同的影响，这主要取决于CNV的大小和位置。
l一般来说，大片段CNV可影响多个基因，其致病性则较强；而小片段CNV累及基因数少，其致病性则较弱。
l在人类基因组中，1-10Kb大小的CNV发生频率最高，500Kb以内的CNV占65-80%，大于1Mb的CNV约占1%。
累及外显子区的CNV致病性较强，累及内含子区的CNV致病性较弱。
l CNV的致病性分析非常复杂，往往不能简单根据其大小和位置判断，需要进一步生物信息学分析和功能验证。
DECIPHER: Database of Chromosomal Imbalance and Phenotype in Humans using Ensembl Resources. Firth, H.V. et al (2009). Am.J.Hum.Genet 84, 524-533 (DOI: /10/1016/j.ajhg.2009.03.010)Database Statistics 19,014open-access patient records52,879phenotype observations in these patients 27,638open-access copy-number variants。
染色体微阵列技术基本原理及临床应用
出生缺陷
Ø也称先天异常，是指由于遗传因素、环境因素或两者 共同作用于孕前或孕期，引起胚胎或胎儿在发育过程中 发生解剖学结构和/或功能上的异常。 Ø2012年卫生部统计我国出生缺陷率达5.6%，每年新增 出生缺陷患儿90-120万例。 Ø随着二胎政策的全面放开，孕妇年龄增加及环境因素 影响，估计出生缺陷数量还会增加。 Ø保守估计，我国有上千万的罕见病群体，几乎无法得 到有效诊断和治疗，甚至遭到严重歧视。
Ø 材料受限，需要新鲜的组织、血样进行活细胞培养 Ø 不能分辨长度在10Mb以下染色体片断的缺失、重复或易位 Ø 染色体亚端粒区域异常诊断率较低 Ø 不能检测LOH和UPD
单细胞分析 高分辨率分析
染色体微阵列技术的基本原理和临床应用
荧光原位杂交技术（fluorescent in-situ hybridization，FISH)
染色体微阵列技术的基本原理和临床应用
Progeria syndrome
A point mutation of the LMNA gene
longevity
染色体微阵列技术的基本M原理or和e临t床ha应n用150 genes prevents cholesterol buildup
v 精确控制胚胎发育和分化的每一个步骤; v 决定了个体的所有生命特征; v 决定了个体患各种疾病的可能性.
Ø Monogenic disorders vDominant (4,000) vRecessive (3,000)
Ø Multigenic disorders vGenes + Environments
染色体微阵列技术的基本原理和临床应用
二.遗传病常见诊断方法及比较
染色体微阵列技术的基本原理和临床应用
染色体微阵列分析技术(CMA)在产前诊断中的应用
基因组印记异常的案例分析
总结词
基因组印记异常是指基因组中某些基因的印记表达异 常，可能导致胎儿发育异常或疾病，CMA技术有助于 发现基因组印记异常。
原理
通过微阵列芯片与待测样本DNA进行 杂交，检测基因组中碱基序列的变异， 并将变异结果进行高分辨率的定位和 识别。
CMA技术的优势和局限性
优势
高分辨率、高灵敏度、高特异性、快速检测、可检测多种染色体异常和基因组变异。
局限性
无法检测染色体结构异常、无法检测单基因遗传病、无法检测线粒体基因组变异、存在假阳性或假阴性的可能。
印记异常研究
CMA技术能够用于印记异常 的深入研究，为疾病发病机 制和遗传学研究提供有力支 持。
03
CMA技术在产前诊断中的临床 价值
提高产前诊断的准确性和可靠性
CMA技术通过高分辨率的微阵列芯 片，能够检测到染色体的微小变异， 包括拷贝数变异和单核苷酸变异，从 而提高了产前诊断的准确性。
与传统的染色体核型分析相比，CMA 技术具有更高的灵敏度和特异性，能 够更准确地检测出染色体异常，避免 了漏诊和误诊的情况。
降低假阳性率和假阴性率
CMA技术能够更准确地检测出染色体 异常，从而降低了假阳性率和假阴性 率，避免了不必要的侵入性产前诊断 和终止妊娠。
CMA技术可以检测到染色体的微小变 异，而传统的染色体核型分析可能无 法检测到这些变异，因此CMA技术能 够更全面地评估胎儿的染色体异常风 险。
为遗传咨询和生育建议提供依据
CMA技术能够检测出罕见疾病， 如肌萎缩侧索硬化症、脊髓性肌 萎缩症等。
2023年版染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用指南ppt课件
技术优势与局限性
局限性-数据分析复杂性：产生大量的数据需要进行专业的生物信息学分析，对 数据解读和结果判断有一定的难度。
请注意，该扩展结果仅提供了染色体微阵列分析技术的概述部分，包括技术原理 、技术发展历程和技术优势与局限性。在实际应用中，还需进一步了解技术操作 细节、数据分析方法以及在产前诊断中的具体应用案例等内容。
分析总结
该案例展示了染色体微阵列分析技术与其他诊断技术联合应用的优势。在临床实践中，综合运用多种 诊断技术，可以更全面、更准确地评估胎儿的健康状况，为孕妇和家庭提供更全面的遗传咨询服务。
05
前景展望与未来研究 方向
技术改进与优化方向
提高分辨率和检测灵敏度
通过优化实验设计和分析算法，提高染色体微阵列分析技术的分辨 率和检测灵敏度，以更准确地检测染色体变异和基因缺陷。
探针杂交和信号检测
该技术利用特定设计的探针与样本DNA进行杂交，通过检测 杂交信号来识别染色体上的变异。
技术发展历程
1 2 3
第一代技术出现
早期的染色体微阵列分析技术主要基于比较基因 组杂交（CGH）原理，用于检测全基因组的拷贝 数变异。
第二代技术革新
随着技术的发展，出现了基于单核苷酸分辨率的 技术，如单核苷酸多态性（SNP）微阵列，提高 了分辨率和检测精度。
VS
分析总结
该案例提示，虽然染色体微阵列分析技术 具有高分辨率，但面对复杂染色体变异时 ，解读结果仍具有一定的挑战性。需要结 合其他临床信息和专业遗传咨询，进行综 合判断和决策。
案例三：与其他诊断技术的联合应用
案例描述
一位孕妇同时接受了染色体微阵列分析技术和超声检查，两者结果相互印证，更全面地评估了胎儿的 遗传和发育状况。
染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用专家共识(完整版)
染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用专家共识（完整版）目前，G显带染色体核型分析技术仍然是细胞遗传学产前诊断的“金标准”，但该技术具有细胞培养耗时长、分辨率低以及耗费人力的局限性。
包括荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization，FISH)技术在内的快速产前诊断技术的引入虽然具有快速及特异性高的优点，但还不能做到对染色体组的全局分析。
染色体微阵列分析(chromosomal microarray analysis，CMA)技术又被称为“分子核型分析”，能够在全基因组水平进行扫描，可检测染色体不平衡的拷贝数变异(copy number variant，CNV)，尤其是对于检测染色体组微小缺失、重复等不平衡性重排具有突出优势。
根据芯片设计与检测原理的不同，CMA技术可分为两大类：基于微阵列的比较基因组杂交(array．based comparative genomic hybridization，aCGH)技术和单核苷酸多态性微阵列(single nucleotide polymorphism array．SNP array)技术。
前者需要将待测样本DNA与正常对照样本DNA分别标记、进行竞争性杂交后获得定量的拷贝数检测结果，而后者则只需将待测样本DNA与一整套正常基因组对照资料进行对比即可获得诊断结果。
通过aCGH技术能够很好地检出CNV，而SNP array除了能够检出CNV外，还能够检测出大多数的单亲二倍体(uniparental disomv，UPD)和三倍体，并且可以检测到一定水平的嵌合体。
而设计涵盖CNV+SNP检测探针的芯片，可同时具有CNV和SNP芯片的特点”。
2010年，国际细胞基因组芯片标准协作组(International Standards for Cytogenomic Arrays Consortium，ISCA Consortium)在研究了2 1 698例具有异常临床表征，包括智力低下、发育迟缓、多种体征畸形以及自闭症的先证者的基础上，发现aCGH 技术对致病性CNV的检出率为12．2％，比传统G显带核型分析技术的检出率提高了10％。
染色体微阵列分析技术(CMA)在产前诊断中的应用
3. VOUS：应建议父母行CMA 检测，通过家系综合分析以协助对胎儿检测结 11 果的判断。
（1）新发CNV：若有证据表明该区域内有疾病表型相关的功能基因，通常 认为是可能致病性；若该区域内无基因，通常认为是可能良性，也有可能目 前未发现其临床意义。 （2） 遗传性CNV： ①若胎儿父母有临床表型，且该区域内有疾病表型相关的功能基因，通常认 为该CNV 为可能致病性。 ②若胎儿父母无临床表型，通常情况下，可判断该CNV 为家族性良性CNV； 若胎儿CNV与亲代CNV 大小不同，且缺失或重复的范围扩大了，则应考虑 为可能致病性。此外，还需考虑不完全外显、临床表型差异（父母可能有亚 临床表现精选）ppt课的件 可能。
CMA芯片平台选择
5
基于微阵列的比较基因组杂交技术(aCGH)
优势：用户可根据需要设计并制作芯片 可针对特定区域设计高密度探针 以增加在该区域的检测灵敏度和特异性
单核苷酸多态性微阵列技术(SNP array)
优势：SNP 芯片除了带有拷贝数信息外， 还带有SNP 分型的信息； 可检测杂合性缺失（loss of heterozygous，LOH），从而用于检测
1
精选ppt课件
2 主要内容
➢ CMA在产前诊断中的应用概况 ➢ CMA芯片平台选择 ➢ CMA应用于产前诊断的临床指征 ➢ CMA检测前后的遗传咨询及结果解释
精选ppt课件
CMA在产前诊断中的应用概况
3
精选ppt课件
CMA在产前诊断中的应用概况
4 2013 年Hillman 等的meta 分析共涉及25 篇文献共18 113 例个体:
精选ppt课件
8
CMA检测前的遗传咨询
3. 检出疾病的遗传异质性：所检出的某些遗传性疾病由于外显率和表现度的差异， 在不同患者间临床表现可能存在很大的变异。 4. 可能检出与临床表型不相关的CNV：通过CMA 技术检测可能发现非亲生父亲、 近亲婚配、迟发性的遗传病或成人期发病的遗传病（如肿瘤），这些结果应该让孕 妇及家属选择是否被告知。
染色体微阵列技术在胎儿遗传学诊断中的应用
100·罕少疾病杂志 2023年6月 第30卷 第 6 期 总第167期【第一作者】刘建生，男，副主任技师，主要研究方向：细胞遗传、分子遗传实验室诊断。
E-mail：***************【通讯作者】刘建生·论著·染色体微阵列技术在胎儿遗传学诊断中的应用刘建生*泰安市妇幼保健院产前诊断中心 (山东 泰安 271000)【摘要】 目的 应用染色体微阵列分析技术(CMA)，对符合产前诊断指征的孕中期胎儿羊水细胞遗传学诊断。
方法 对2020年1月至2023年2月来本院就诊的675例18~27周孕妇，按照年龄组与诊断指征分组，抽取羊水，分别进行CMA检测及染色体核型分析。
结果 本文共检出染色体异常157例，其中染色体非整倍体97例，检出率为23.3%(97/675)，其中以无创产前DNA(NIPT)数目异常组为主，检出率55.6%(84/151)；拷贝数变异(CNVs)60例，检出率为8.9%(60/675)，其中明确致病35例，占58.3%(35/60)，非明确临床意义型 (VOUS)检出25例，占41.7%(25/60)，以NIPT提示CNV异常组检出率最高，占13.8%(13/87)。
年龄分组以≥35岁组与30-34岁组为多，分别占39.3%(265/675)与37.5%(253/675)。
染色体非整倍体检出率20-24岁组最高，占21.7%(13/60)，其次为≥35岁组，占17%(45/265)。
20-24岁组与30-34岁组比较，χ2=4.5，0.01<P <0.05，两组比较有统计学意义。
产前诊断指征中，NIPT提示胎儿染色体异常组检测人数最多，比占总数的35.3%(238/675)，其中NIPT提示染色体数目异常检测率22.4%(151/675)，异常检出率58.9%(89/151)；超声软指标异常检出率17.6%(27/153)，以NT/NF增厚为主，占软指标的37.0%(10/27)。