Low-Pass-Ganzgenomsequenzierung: Technologie, Anwendungen und Marktanalysen

Was ist Low-Pass Whole Genome Sequencing?

Niederfrequenz-Ganzgenomsequenzierung (LP-WGS) ist eine Methode, die beinhaltet Hochdurchsatz-Sequenzierung von gesamten Genomen bei relativ niedrigen Sequierungstiefen. Typischerweise arbeitet LP-WGS mit einer Tiefe von 0,5-1× Abdeckung, was bedeutet, dass jedes Basenpaar im Durchschnitt zwischen 0,5 und 1 Mal sequenziert wird. Der Ansatz kompensiert diese spärlichen Datenpunkte durch den Einsatz computergestützter Techniken, wie z.B. Genotyp-Imputationsalgorithmen, um fehlende Sequenzen zu extrapolieren und somit eine relativ umfassende genomische Landschaft zu liefern.

Als eine wirtschaftliche und effiziente Strategie für die genomische Sequenzierung eignet sich LP-WGS besonders gut für umfangreiche Bevölkerungsstudien und die Berechnung von polygenen Risikoscores. Durch die Senkung der Sequenzierungstiefe und die Nutzung computergestützter Genotyp-Imputation reduziert die Methode erheblich die Kosten und den Speicherbedarf für Daten, während sie dennoch Genominformationen liefert, die in bestimmten Kontexten mit traditionellen Methoden vergleichbar sind. Whole-Genome-Sequenzierung (WGS).

Technische Grundlagen und Unterschiede zu traditionellen WGS

1. Sequenzierungstiefe:

• Traditionelles WGS erfordert typischerweise hohe Sequenzierungstiefen (z. B. 30× oder mehr), um mehrere Ablesungen jeder Base sicherzustellen und somit eine hohe Präzision in den genomischen Daten zu erreichen.
• Im Gegensatz dazu nutzt LP-WGS reduzierte Sequenzierungstiefen (0,5×-1×), um Genotypen abzuleiten und Lücken durch rechnerische Methoden zu schließen.

2. Kosten und Datenvolumen:

• LP-WGS senkt die Sequenzierungskosten und den Bedarf an Datenspeicherung erheblich, da die geringere Sequenzierungstiefe weniger Zeit benötigt und die Speicherplatzanforderungen deutlich verringert.
• Traditionelles WGS bietet zwar umfassendere genomische Einblicke, bringt jedoch höhere Kosten sowie größere Anforderungen an die Datenverarbeitung und -speicherung mit sich.

3. Anwendungen:

• LP-WGS findet Anwendung in großangelegten Bevölkerungsstudien, genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) und Berechnungen von polygenen Risikoscores.
• Traditionelles WGS wird umfassend in der Diagnostik genetischer Erkrankungen, der Krebsforschung und der Mikrobiomanalyse eingesetzt.

4. Datenqualität:

• LP-WGS, das auf computergestützter Genotypinferenz basiert, kann bestimmte Fehler und Unsicherheiten einführen. Daher erfordert die Verbesserung der Genauigkeit die Integration probabilistischer Rahmenwerke und die Nutzung von großangelegten Stichprobendaten.
• Aufgrund seiner hohen Sequenzierungstiefe bietet die traditionelle WGS eine überlegene Datenqualität, die sie für Studien geeignet macht, die präzise genomische Informationen erfordern.

Vorteile und Anwendungen von LP-WGS

Low-Pass Whole Genome Sequencing hebt sich als kosteneffiziente und effektive Technologie zur Genomsequenzierung hervor und bietet vielversprechende Möglichkeiten in verschiedenen Anwendungen. Hier untersuchen wir die Vorteile und potenziellen Anwendungen von LP-WGS:

Vorteile einer niedrigen Sequenzierungstiefe

1. Kosten-Effektivität:

• Ein wesentlicher Vorteil von LP-WGS ist seine Kosteneffizienz. Durch die Nutzung niedriger Sequenzierungstiefen senkt LP-WGS die Kosten erheblich und positioniert sich als wertvolles Werkzeug in der genetischen Diagnostik, insbesondere vorteilhaft in einkommensschwachen und mittleren Ländern.
• Im Vergleich zur traditionellen chromosomalen Mikroarray-Analyse (CMA) verursacht LP-WGS nur ein Viertel der Kosten, bietet jedoch eine zuverlässige Erkennung von Kopienzahlvariationen (CNV). Diese Erschwinglichkeit ist besonders wichtig in einkommensschwachen Regionen und erweitert den Zugang zu genetischen Tests für zahlreiche Patienten. Darüber hinaus bietet LP-WGS einen höheren Automatisierungsgrad, minimiert technische Fehler und reduziert den Bedarf an DNA-Eingaben.

CNV-Erkennung in einer Validierungsgruppe und einer multizentrischen klinischen Gruppe. (Dong, Z., u. a.., 2016)

2. Datenverarbeitung und -speicherung:

• Aufgrund seines reduzierten Datenvolumens verringert LP-WGS die Anforderungen an die Datenverarbeitung und -speicherung und schont somit die Rechenressourcen.
• Techniken wie die Genotyp-Imputation füllen effektiv Lücken in Sequenzierungsdaten und bieten einen umfassenderen genomischen Überblick.

3. Flexibilität und Skalierbarkeit:

• LP-WGS kann die Kosten weiter senken, indem die Anzahl der verarbeiteten Proben erhöht wird, während eine hohe Datenqualität aufrechterhalten bleibt.
• Obwohl traditionelle WGS eine höhere Datenqualität liefert, schränken die hohen Kosten ihre Anwendung in großangelegten Bevölkerungsstudien ein.

4. Hoher Durchsatz:

• In der Lage, große Probenmengen zu verarbeiten, eignet sich LP-WGS gut für umfangreiche Forschungsprojekte.

5. Umfassendheit:

• Trotz der geringeren Abdeckung identifiziert LP-WGS erfolgreich eine beträchtliche Anzahl von CNVs und einzelnen Nukleotidvarianten (SNVs).

Anwendungen in der klinischen Zytogenetik

LP-WGS zeigt eine robuste Leistung in der klinischen Zytogenetik, insbesondere bei der Identifizierung chromosomaler Abnormalitäten und CNVs. Studien zeigen, dass LP-WGS eine Sensitivität und Genauigkeit aufweist, die mit CMA vergleichbar ist, wenn es um die Erkennung fetaler chromosomaler Abnormalitäten, Fälle von Hochrisikoschwangerschaften, Unfruchtbarkeit und angeborenen Fehlbildungen geht. Beispielsweise unterstrich eine in Brasilien durchgeführte Forschung die vergleichbare Wirksamkeit von LP-WGS im Vergleich zu CMA bei der Identifizierung fetaler chromosomaler Anomalien, mit zusätzlichen Kostenvorteilen.

Potenzial in der großangelegten Populationsgenomik

LP-WGS zeigt ein enormes Potenzial in umfangreichen populationengenetischen Studien. Die niedrigeren Kosten und die höhere Durchsatzrate erleichtern genomweite Assoziationsstudien (GWAS) und Studien zur Ganzgenomselektion, die darauf abzielen, krankheitsassoziierte Gene und Variationen aufzudecken. Durch die Nutzung von Genotyp-Imputationstechniken bietet LP-WGS hochdichte genetische Marker, die sich für die Analyse großer Stichprobenkohorten eignen.

Klinische und Forschungsfallstudien

Mehrere Studien und praktische Fälle unterstreichen die signifikante Wirksamkeit von LP-WGS sowohl in klinischen als auch in Forschungsumgebungen. Zum Beispiel wurde LP-WGS bei Patienten mit Prostatakrebs (PCa) eingesetzt, um die Anteile an zirkulierender Tumor-DNA (ctDNA) und CNVs zu erfassen, was entscheidende Einblicke in die Krankheitsprognose bietet. Darüber hinaus hat sich LP-WGS als vorteilhaft erwiesen, um CNVs bei Patienten mit frühem PCa zu identifizieren, was seine Kostenwirksamkeit hervorhebt.

Breites Anwendungsspektrum

LP-WGS findet umfangreiche Anwendungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:

• Krebsdiagnostik: Erkennung von CNVs und ctDNA zur frühzeitigen Diagnose und Prognosebewertung bei Krebs.
• Diagnose genetischer Erkrankungen: Identifizierung chromosomaler Abnormalitäten und CNVs zur Diagnose genetischer Störungen und pränatalen Tests.
• Populationsgenomik: Ermöglichung großangelegter Populationsstudien zur Enthüllung genetischer Vielfalt und deren Zusammenhang mit Krankheiten.
• Agrarwirtschaft und Zucht: Angewendet in der Merkmalsassoziation und Zuchtevaluierungen für Arten mit großen Genomen.

Der Markt für menschliche LP-WGS: Aktueller Stand und Trends

Der Markt für Low-Pass-Ganzgenomsequenzierung erlebt eine rasche Expansion, die durch ihre potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Neugeborenenscreening, Krebsdiagnose, genetische Krankheitsdiagnose und routinemäßige Gesundheitsbewertungen gekennzeichnet ist. Technologische Fortschritte in Verbindung mit Kostenreduzierungen positionieren LP-WGS als ein entscheidendes Werkzeug für Präzisionsmedizin und personalisierte Behandlungen in den kommenden Jahren.

1. Marktdynamik von LP-WGS

Der LP-WGS-Markt hat ein signifikantes Wachstum erfahren, das größtenteils auf seine Kosteneffizienz und hohe Durchsatzkapazitäten zurückzuführen ist. Konventionelles Whole Genome Sequencing (WGS), dessen Kosten in die Tausende von Dollar für eine 30-fache Abdeckung laufen, steht im starken Gegensatz zu LP-WGS, das die Sequenzierungstiefe (typischerweise 0,1x-1x) senkt, um die Kosten unter 200 Dollar pro Probe zu halten, während gleichzeitig eine hohe Sensitivität bei der Erkennung von Kopienzahlvariationen (CNVs) beibehalten wird. Beispielsweise ermöglichen automatisierte Bibliotheksvorbereitungstechnologien, die von Unternehmen wie MGI entwickelt wurden, die Verarbeitung von 1.536 Proben an einem einzigen Tag, mit einem jährlichen Sequenzierungsdurchsatz von bis zu 384.000 Proben bei 1,0x Abdeckung. Dieser Kostenvorteil hat seine rasche Einführung in der klinischen Diagnostik und in großangelegten Bevölkerungsstudien vorangetrieben.

2. Aktuelle Anwendungen in der Genomik und klinischen Diagnostik

LP-WGS hat umfangreiche Anwendungen in mehreren wichtigen Bereichen gefunden:

• PPränatale Diagnostik: Durch die Nutzung von Low-Coverage-Sequenzierung mit 15 Millionen Reads pro Probe erkennt LP-WGS effektiv chromosomale Aneuploidien (wie Trisomie 21) und Mikrodeletionssyndrome mit einer Sensitivität von 99% und einer Wiederholungsrate von nur 0,5% (deutlich niedriger als die 4,6% von CMA).
• Krebsgenomik: In Kombination mit Deep-Learning-Modellen wie GIInger kann LP-WGS genomische Instabilität, die aus Defekten der homologen Rekombination (HRD) resultiert, identifizieren und die Empfindlichkeit von Patientinnen mit Eierstock- und Brustkrebs gegenüber PARP-Inhibitoren vorhersagen, wobei eine Übereinstimmung von 98 % mit den Ergebnissen der Hochdurchsatz-Sequenzierung erreicht wird.

Ein Überblick über Japans "Aktionsplan für die Ganzgenomanalyse von Krebs und seltenen/schwer behandelbaren Krankheiten" WGS-Initiative (Yuki Katsuya, 2024)

• PopulationsgenetikIn Studien über isolierte Populationen wie die pazifischen Kosraeaner ermöglicht LP-WGS die Bestimmung genetischer Variationen in 60 % der Bevölkerung durch Genotyp-Imputation aus nur sieben Proben mit 5x Abdeckung, wobei die Genauigkeit 97 % übersteigt.

3. Aufkommende Markttrends und kommerzielle Akzeptanz

Die kommerzielle Einführung von LP-WGS ist durch mehrere Trends gekennzeichnet:

• Technologische Integration: Aufkommende Techniken wie die Blended Genome-Exome-Sequenzierung (BGE), die eine Niedrigdurchsatz-WGS (1-4x) mit der Exom-Sequenzierung (30-40x) kombiniert, erleichtern die gleichzeitige Erkennung von häufigen genomischen Varianten und seltenen Mutationen im Exom-Bereich. Dieser Ansatz ist ein Schwerpunktentwicklungsbereich für 2024.
• Automatisierungsverbesserungen: Klinische Labore verfeinern standardisierte Prozesse, wie die PCR-freie Bibliotheksvorbereitung, um den experimentellen Zyklus auf sieben Tage zu reduzieren, mit einem anfänglichen DNA-Eingang von nur 50 ng, wodurch die Nachweis-effizienz erheblich gesteigert wird.
• Industriekooperation: Genetische Technologieunternehmen treiben die Integration von LP-WGS mit Plattformen zur Analyse künstlicher Intelligenz voran, um die Dateninterpretationsfähigkeiten zu optimieren und die klinischen Anwendungen zu erweitern.

4. Zukünftiges Potenzial von LP-WGS

LP-WGS birgt erhebliches Potenzial in mehreren Bereichen:

• Neonatales Screening: Die geringen Kosten und die hohe Durchsatzrate machen es ideal für das großflächige Screening von angeborenen genetischen Störungen wie spinaler Muskelatrophie, mit dem Potenzial, traditionelle biochemische Testmethoden zu ersetzen.
• Früherkennung von Krebs: Durch die Identifizierung von niedrigfrequenten CNVs in zirkulierender Tumor-DNA (ctDNA) bietet LP-WGS Perspektiven für die frühzeitige Krebsdiagnose und das Monitoring von Rückfällen.
• Genetische Krankheitsdiagnose: In Populationen mit Entwicklungsverzögerungen oder seltenen Krankheiten kann LP-WGS Hunderte von pathogenen CNVs gleichzeitig screenen und dabei Lücken schließen, die von SNP-Chips in genomischen "blinden Flecken" hinterlassen wurden.

Zukausblick für LP-WGS

Die zukünftige Entwicklung der Low-Pass-Ganzgenomsequenzierung spiegelt ihr Potenzial wider, die personalisierte Medizin und die Forschung zu genetischen Erkrankungen durch vielfältige Ansätze erheblich voranzubringen.

Technologische Fortschritte und Kostenreduktion

Mit dem unaufhaltsamen Fortschritt der Sequenzierungstechnologien, insbesondere den Fortschritten bei Plattformen der Next-Generation Sequencing (NGS), sinken die Kosten für LP-WGS drastisch. Diese Kostenreduktion erhöht die Machbarkeit großangelegter genomischer Projekte und die Umsetzung von Ansätzen der personalisierten Medizin. So bietet beispielsweise die Einführung von Sequenzierungsinstrumenten wie dem T20 von BGI eine erhebliche Kosteneffizienz für die gesamte Genomsequenzierung, wodurch sie zugänglicher wird. Darüber hinaus wird erwartet, dass Trends in der Miniaturisierung von Technologien, parallelen Sequenzierungstechniken und Verbesserungen in den Methoden zur Matrizenlesung weitere Kostensenkungen bei der Sequenzierung ermöglichen.

Anwendungen in der personalisierten Medizin

Die potenziellen Anwendungen von LP-WGS in der personalisierten Medizin sind vielfältig. Die Ganzgenomsequenzierung ermöglicht es Ärzten, umfassende Einblicke in die genetische Zusammensetzung eines Individuums zu gewinnen, was maßgeschneiderte therapeutische Strategien erleichtert. Zum Beispiel können Gesundheitsfachkräfte durch die Analyse der genomischen Daten eines Patienten Arzneimittelreaktionen vorhersagen, was die Optimierung von Medikamentendosierungen und Behandlungsprotokollen ermöglicht. Darüber hinaus kann LP-WGS Personen identifizieren, die ein hohes Risiko für bestimmte Erkrankungen haben, und somit Strategien für frühzeitige Intervention und Prävention unterstützen.

Workflow der Methodenentwicklung und -bewertung mit Low-Pass-Genomsequenzierung für den Vaterschaftstest. (Li, Keying, et al., 2023)

Rolle in der Forschung zu genetischen Erkrankungen

Im Bereich der Forschung zu genetischen Erkrankungen hat LP-WGS einen enormen Wert. Durch umfassende Genomsequenzierung können Forscher krankheitsassoziierte genetische Varianten effektiver identifizieren, was die Entdeckung pathogenetischer Gene und therapeutischer Ziele beschleunigt. Zum Beispiel bietet die Ganzgenomsequenzierung bei der Diagnose seltener genetischer Störungen eine überlegene diagnostische Nützlichkeit im Vergleich zur chromosomalen Mikroarray-Analyse. Darüber hinaus erleichtert LP-WGS großangelegte bevölkerungsgenomische Studien und trägt zu einem tieferen Verständnis der genetischen Vielfalt in verschiedenen Populationen bei.

Einblicke in komplexe genetische Erkrankungen

LP-WGS bietet einen einzigartigen Vorteil bei der Aufklärung komplexer genetischer Störungen. Solche Bedingungen beinhalten oft komplexe Wechselwirkungen zwischen mehreren Genen, die von traditionellen genetischen Testmethoden möglicherweise nicht umfassend erfasst werden. Die vollständige Genomsequenzierung bietet einen ganzheitlichen Blick auf die genetische Landschaft, der es Forschern ermöglicht, die Eigenschaften des Genoms umfassend zu analysieren und das Verständnis der Krankheitsentstehung zu verbessern. Zum Beispiel können bestimmte Krebsarten Mutationen in verschiedenen Genen betreffen, die an der zellulären Regulation beteiligt sind, für die LP-WGS eine vollständige Perspektive bieten kann.

Zukunftsaussichten

Da die Sequenzierungskosten weiterhin sinken und technologische Innovationen voranschreiten, ist LP-WGS bereit für eine breitere Anwendung sowohl in klinischen als auch in Forschungsumgebungen. Dies wird die Entwicklung personalisierter medizinischer Ansätze vorantreiben und die Untersuchungen zu genetischen Erkrankungen vertiefen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Einführung von LP-WGS die öffentliche Gesundheit verbessert, indem sie frühzeitige Diagnosen und personalisierte Interventionen erleichtert, wodurch die Lebensqualität der Patienten verbessert wird.

Fazit

Low-Pass Whole Genome Sequencing nutzt eine niedrige Sequenzierungstiefe (0,1x-1x) in Verbindung mit Genotyp-Imputationstechniken, um großflächige chromosomale Variationen, wie z. B. Kopienzahlvariationen (CNVs) und Mikrodeletionen, mit hoher Sensitivität zu erkennen – und das zu nur einem dreißigsten der Kosten traditioneller Sequenzierungsmethoden. Dieser effiziente Ansatz hat LP-WGS als ein transformierendes Werkzeug sowohl im klinischen als auch im Forschungsbereich positioniert. Zu den Vorteilen gehören reduzierte Kosten (weniger als 200 USD pro Probe), hohe Durchsatzraten (Verarbeitung von über 380.000 Proben jährlich) und außergewöhnliche Flexibilität, was es für pränatale Diagnosen, frühe Krebsfrüherkennung und Forschung in der Populationsgenetik geeignet macht.

Klinisch zeichnet sich LP-WGS durch die Erkennung pränataler chromosomaler Abnormalitäten mit einer Sensitivität von über 99% aus, sowie durch die genomische Analyse von Krebserkrankungen – wie die Identifizierung von Defiziten in der homologen Rekombination (HRD) – und durch das Screening genetischer Störungen. Die Automatisierung der LP-WGS-Prozesse senkt zudem die technologischen Barrieren für die Einführung, was eine breitere Zugänglichkeit und Umsetzung erleichtert.

In der Zukunft werden Fortschritte in der algorithmischen Optimierung (z. B. Haplotyp-Referenzpanels) und der Technologieintegration (z. B. gemischte Genom-Exom-Sequenzierung) voraussichtlich die Auswirkungen von LP-WGS weiter verstärken. Diese Innovationen werden die breite Anwendbarkeit der Präzisionsmedizin fördern und LP-WGS als einen zentralen Treiber in Bereichen wie Neugeborenenscreening, der Aufklärung komplexer Krankheiten und umfangreicher öffentlicher Gesundheitsinitiativen etablieren. Folglich wird erwartet, dass LP-WGS die umfassende Integration der Genommedizin aus dem Forschungsbereich in die klinische Praxis beschleunigt.

Referenzen:

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