Các ứng dụng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới hiệu năng cao (NGS)

Bài viết của Tiến sĩ Lý Thị Thanh Hà - Khối Di truyền y học - Viện nghiên cứu tế bào gốc công nghệ gen Vinmec

Công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới – NGS (Next Generation Sequencing), hay còn gọi là giải trình tự băng thông rộng (MPS-Massively Parallel Sequencing) là kỹ thuật mới nhất hiện nay dùng trong phân tích di truyền.

Giải trình tự gen là kỹ thuật xác định trình tự nucleotide của các gen cụ thể, mã hóa hoặc không mã hóa cho các protein chức năng liên quan.

Giải trình tự gen thế hệ mới (Next-Generation Sequencing, NGS) là công nghệ cho phép giải mã đồng thời hàng triệu đoạn ADN trong cùng lúc, qua đó giúp nâng cao hiệu suất của quá trình giải mã hệ gen người. Công nghệ NGS có những ưu điểm: Thời gian đọc nhanh, dữ liệu đầu ra lớn và tiết kiệm chi phí hơn, khắc phục một số nhược điểm của giải trình tự gen truyền thống.

Với cách thiết kế đa dạng và linh động, công nghệ giải trình tự thế hệ mới có thể được biến đổi để phù hợp cho nhiều mục đích khác nhau.

Trong ứng dụng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới hiệu năng cao (NGS), có 3 quy trình phổ biến nhất:

• Giải trình tự cả bộ gen: Là xác định trình tự cho cả bộ gen của sinh vật, trong đó có con người.
• Giải trình tự toàn bộ exon: Exon chỉ chiếm 1% của bộ gen nhưng chứa thông tin trực tiếp mã hoá cho các protein thực hiện chức năng trong cơ thể. Vì vậy, những thay đổi trình tự của exon có thể liên quan trực tiếp đến bệnh tật hay tình trạng sức khoẻ của con người. Quy trình này đã được thương mại hoá nên dễ thực hiện và khá phổ biến.
• Giải trình tự một/vài gen cụ thể: Là xác định trình tự của một/vài gen có liên quan đến một loại bệnh nào đó, ví dụ nhóm các gen liên quan đến hội chứng ung thư di truyền. Vì số lượng ít và mục tiêu rõ ràng nên kết quả và độ chính xác của việc giải trình tự này cao hơn, nhưng chi phí lại thấp hơn.

Giải trình tự gen thế hệ mới đem lại rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y tế, trong đó cần kể đến 1 số xét nghiệm nổi bật như sau:

3.1. Sàng lọc trước sinh không xâm lấn (NIPT)

Sàng lọc trước sinh không xâm lấn (Non-Invasive Prenatal Test, NIPT) đã được áp dụng trong thăm khám thai sản từ năm 2011. Phương pháp này sẽ phân tích ADN tự do có nguồn gốc từ nhau thai và các tế bào lá nuôi đã chết. NIPT được coi là xét nghiệm sàng lọc sớm, có khả năng xác định giới tính thai nhi, bất thường trong nhiễm sắc thể.

Với ứng dụng thực tiễn trong việc giải trình gen thế hệ mới, xét nghiệm NIPT có thể đánh giá nguy cơ các dị tật ở thai nhi trong giai đoạn rất sớm, từ tuần thứ 10 thai kỳ.

3.1.1.Các bất thường số lượng nhiễm sắc thể thường:

• Hội chứng Down (Trisomy 21): Gây thiểu năng trí tuệ, các vấn đề tim mạch, hệ tiêu hóa và các cơ quan khác.
• Hội chứng Edwards (Trisomy 18): Gây chết thai hoặc tử vong sau sinh, tỷ lệ sống hơn một năm tuổi là 5% – 10%.
• Hội chứng Patau (Trisomy 13): Gây sẩy thai, thai lưu hoặc tử vong sớm sau sanh và kèm theo các dị tật bẩm sinh: thần kinh (não nhỏ, não thất duy nhất...), dị tật tim, sứt môi chẻ vòm, đa ngón...

3.1.2.Các bất thường số lượng nhiễm sắc thể giới tính:

• Hội chứng Turner (Monosomy X)
• Hội chứng Klinefelter (XXY)
• Hội chứng Jacobs (XYY)
• Hội chứng Triple X (XXX)

3.2. Xác minh quan hệ huyết thống khi đang mang thai

Xét nghiệm ADN thai nhi trước sinh không xâm lấn là giải pháp tiên tiến hiện đại nhất hiện nay giúp xác định mối quan hệ cha con trước sinh với độ chính xác trên 99,99%.

Xét nghiệm ADN thai nhi không xâm lấn sử dụng mẫu máu của người mẹ để tiến hành xét nghiệm nên không gây ảnh hưởng đến sức khỏe mẹ bầu và thai nhi.

Trong nhau thai có chứa các ADN của thai nhi, khi tế bào nhau thai già và chết tự nhiên sẽ giải phóng ra các ADN lẫn với ADN tự do trong máu của người mẹ (cell-free fetal DNA).

Từ tuần thứ 6 của thai kỳ, thai nhi bắt đầu phóng thích ADN tự do vào trong máu mẹ, chiếm khoảng 10% tùy vào độ tuổi của thai nhi, ADN tự do của thai nhi có trong máu mẹ đến hết quá trình mang thai và mất đi ở vài giờ sau khi sinh.

Kỹ thuật xét nghiệm ADN huyết thống không xâm lấn được dùng để tách các ADN tự do này của thai nhi để phân tích. Phương pháp này chỉ cần 7-10ml máu của mẹ để làm xét nghiệm nên đảm bảo an toàn cho cả mẹ và thai nhi so với phương pháp truyền thống là chọc ối.

3.3. Sàng lọc ung thư di truyền

Theo thống kê, khoảng 5-10% nguyên nhân ung thư là do di truyền. Quá trình phát sinh và tích luỹ những đột biến gen diễn ra nhiều thế hệ trong gia đình đã làm tăng nguy cơ mắc ung thư. Giải trình tự gen thế hệ mới sẽ đem lại bức tranh tổng thể về gen khi tiến hành xét nghiệm gen di truyền, qua đó phát hiện những gen chưa biết nhưng có liên quan đến quá trình phát sinh bệnh và những bệnh hiếm gặp do đột biến gen gây nên.

3.4. Xác định các đột biến di truyền hiếm gặp và bệnh lý di truyền đa gen

Sự phát triển của kỹ thuật NGS và sự hoàn thiện trong các phương pháp phân tích đã giúp phát hiện thêm nhiều đột biến gen liên quan đến các bệnh lý di truyền hiếm gặp và bệnh lý di truyền do bị đột biến trên nhiều gen.Việc xác định được các đột biến gen này đóng vai trò rất quan trọng trong việc chẩn đoán, tiên lượng và đưa ra các phác đồ điều trị phù hợp cho bệnh nhân.

Theo dự tính, khoảng hơn 3.500 gen sẽ được phát hiện trong một vài thập kỷ tới và sẽ được bổ sung vào“Atlas” về các bệnh hiếm ở người [1]. Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ NGS, các kiến thức về bệnh lý di truyền hiếm gặp sẽ ngày càng hoàn thiện, tạo điều kiện cho các nghiên cứu sớm tìm ra những liệu pháp chữa trị bệnh hiếm.

3.5. Ứng dụng trong y học cá thể hóa

Y học cá thể hóa tìm kiếm các thông tin trong dữ liệu hệ gen của từng cá thể, mục đích là xác định được phương pháp điều trị chính xác cho bệnh nhân tại từng thời điểm cụ thể. NGS tạo một bước tiến lớn cho y học cá thể hóa thông qua khả năng phát hiện.

• Các đột biến somatic (các đột biến phát sinh trong quá trình trưởng thành)
• Các cơ chế kháng thuốc, xác định mức độ đột biến (mutational burden)
• Các đột biến dòng mầm...

Dựa trên kết quả giải trình tự gen thế hệ mới, bác sĩ sẽ lựa chọn được các loại thuốc phù hợp, liều lượng an toàn hơn cho người bệnh, cũng như thúc đẩy hoàn thiện tốt quy trình sản xuất thuốc hơn.

3.6. Xét nghiệm di truyền trước chuyển phôi

Một em bé khỏe mạnh chào đời là ước mong của tất cả cha mẹ, điều này lại càng có ý nghĩa hơn với những cặp vợ chồng hiếm muộn, vô sinh. Chính vì thế, trong thụ tinh nhân tạo IVF (In-vitro Fertilization), sàng lọc di truyền phôi (PGS hay PGT – A) được khuyến cáo nhằm phát hiện những đột biến số lượng nhiễm sắc thể của phôi, giúp các bác sĩ lựa chọn phôi khỏe mạnh nhất và tăng khả năng đậu thai thành công.

Nhiều công nghệ sàng lọc phôi đã được phát triển như: FISH, Real-time PCR, Microarray và giải trình tự gen thế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing). Trong đó, công nghệ NGS đang được coi là tiêu chuẩn công nghệ trong sàng lọc di truyền phôi PGS.

Với ưu điểm vượt trội về độ phân giải và bao phủ, khả năng sàng lọc và phát hiện chính xác cao, NGS đang là lựa chọn hàng đầu cho giải pháp sàng lọc phôi hiện nay trên thế giới. Giải trình tự gen thế hệ mới đang là xu hướng và là tiêu chuẩn về công nghệ trong sàng lọc di truyền phôi, góp phần tăng tỉ lệ thành công cho các ca IVF.

Tài liệu tham khảo

[1] Boycott, K., Vanstone, M., Bulman, D. et al. Rare-disease genetics in the era of next-generation sequencing: discovery to translation. Nat Rev Genet 14, 681–691 (2013). https://doi.org/10.1038/nrg3555