مقدمه: سیتوژنتیک شاخه‌ای از زیست‌شناسی است که بر مطالعه کروموزوم‌ها و وراثت آنها، به ویژه در ژنتیک پزشکی، متمرکز است. کروموزوم ها ساختارهای میکروسکوپی حاوی DNA هستند که در هسته سلول قرار دارند. در طول تقسیم سلولی، این ساختارها متراکم شده و با میکروسکوپ قابل مشاهده هستند. تکنیک‌های رنگ‌آمیزی ویژه می‌تواند برای ارزیابی تعداد و ساختار کروموزوم‌های فرد به عنوان بخشی از آزمایش‌های تشخیصی استفاده شود. تعداد و/یا ساختار کروموزوم ها در برخی بیماری های ژنتیکی تغییر می کند.
سیتوژنتیک چیست؟
سیتوژنتیک مطالعه کروموزوم ها، که رشته های طولانی DNA و پروتئین هستند که حاوی بیشتر اطلاعات ژنتیکی در یک سلول هستند. سیتوژنتیک شامل آزمایش نمونه‌هایی از بافت، خون یا مغز استخوان در آزمایشگاه برای بررسی تغییرات کروموزوم‌ها، از جمله کروموزوم‌های شکسته، از دست رفته، بازآرایی یا کروموزوم‌های اضافی است. تغییرات در برخی از کروموزوم ها ممکن است نشانه یک بیماری یا شرایط ژنتیکی یا برخی از انواع سرطان باشد. سیتوژنتیک ممکن است برای کمک به تشخیص یک بیماری یا شرایط، برنامه ریزی برای درمان، یا اطلاع از اینکه درمان چقدر خوب کار می کند استفاده شود.
مطلب پیشنهادی: آزمایش ژنتیک چیست؟
درنتیجه سیتوژنتیک، یعنی مطالعه کروموزوم های درون یک سلول، اولین رشته ای است که برای درک اساس ژنتیکی اختلالات انسانی ایجاد شد. علیرغم اینکه سیتوژنتیک یک رشته “قدیمی” است که قدمت آن به پایان قرن نوزدهم باز می گردد، سیتوژنتیک توانست در طول زمان از مطالعه مورفولوژیکی کلاسیک کروموزوم ها در زیر میکروسکوپ به تکنیک های پیچیده تر تبدیل شود، که در آن کروموزوم ها نیازی به تجسم فیزیکی ندارند. این منجر به افزایش تدریجی وضوح تشخیص ناهنجاری‌های کروموزومی شد و امکان شناسایی تعداد فزاینده‌ای از ناهنجاری‌های کروموزومی مرتبط با آسیب‌شناسی انسان، از جمله زیر مجموعه‌ای از نقایص مخچه را فراهم کرد. امروزه، استراتژی‌های جدیدی برای شناسایی ناهنجاری‌های کروموزومی از داده‌های NGS در حال توسعه است، اگرچه این رویکردها هنوز نیاز به بهبود دارند و هنوز به بخشی از عملکرد بالینی تبدیل نشده‌اند.
مطلب پیشنهادی: آزمایش خون چیست؟
کاربردهای سیتوژنتیک
مطالعات سیتوژنتیک با هدف آشکارسازی ناهنجاری های کروموزومی منجر به آسیب شناسی انسان می شود. اینها شامل آنئوپلودی ها، تفاوت در تعداد کروموزوم های کامل (به عنوان مثال، مونوزومی یا تریزومی)، انواع تعداد کپی (حذف های قطعه ای / تکراری)، یا بازآرایی ها (وارونگی بخش های کروموزوم و جابجایی بین دو کروموزوم مجزا) است. ناهنجاری‌های ساختاری کروموزوم‌ها شامل نواحی ژنومی با اندازه متغیر است و توانایی تشخیص آنها با حساسیت روش اتخاذ شده مرتبط است.
مطلب پیشنهادی: اختلالات کروموزومی: علل، انواع و تشخیص
سیتوژنتیک کلاسیک و مولکولی
کلاسیک‌ترین آزمایش سیتوژنتیک، آنالیز کاریوتایپ است که مستقیماً کروموزوم‌های متافاز رنگ‌آمیزی انسانی را زیر میکروسکوپ تجسم می‌کند و قادر است ناهنجاری‌ها در تعداد و نقص‌های ساختاری آنها را با وضوح متوسط حدود 10 مگابایت تشخیص دهد. با توجه به اندازه بزرگ نواحی ژنومی درگیر، اکثر بیماران با کاریوتایپ غیرطبیعی تظاهرات بالینی سندرمی را نشان می‌دهند که با همراهی بدشکلی‌ها، اختلالات فکری و نقایص چند عضوی مشخص می‌شود که در برخی موارد مخچه را درگیر می‌کند و منجر به آتاکسی می‌شود.
یک فنوتیپ پیچیده تر یک مثال قابل اعتماد با ناهنجاری Dandy-Walker (DWM) نشان داده شده است، یک نقص مادرزادی که با هیپوپلازی ورمیس مخچه و چرخش به سمت بالا، بزرگ شدن کیستیک حفره خلفی، و بالا رفتن تنتوریوم مشخص می شود، که می تواند به صورت ایزوله یا در ارتباط با سوپراتنتوریال رخ دهد.
سیتوژنتیک مولکولی یک انقلاب واقعی برای تشخیص ناهنجاری های کروموزومی کمتر از وضوح مجاز توسط کاریوتایپینگ استاندارد و حتی با وضوح بالا نشان داده است. اولین و مرتبط‌ترین تکنیک در سیتوژنتیک مولکولی، هیبریداسیون درجا فلورسنت بود که بر اساس استفاده از پروب‌های DNA نشاندار شده با فلورسنت برای نشان دادن وجود یا عدم وجود مناطق مکمل DNA ژنومی در آماده‌سازی متافاز بود. این استراتژی برای تأیید تشخیص‌های بالینی مربوط به سندرم‌های خاص به دلیل ریزحذف‌های کروموزومی یا ریزدوپلیکاسیون‌ها بسیار قدرتمند بوده است. با این حال، کاربرد آن در تشخیص آتاکسی مخچه عمدتاً محدود به شرایطی است که در آن آتاکسی بخشی از یک طیف فنوتیپی سندرمی است. یکی از این نمونه ها سندرم آنجلمن است که در بخش زیادی از موارد به دلیل حذف 5 تا 7 مگابایتی کروموزوم ارثی 15q11.2-q13 از مادر است.
سیتوژنتیک مجازی
این نام به تکنیک هایی اشاره دارد که به عدم تعادل کروموزومی بدون نیاز به تجسم مستقیم کروموزوم ها در زیر میکروسکوپ نزدیک می شوند. برای این هدف، تکنیک‌های آرایه، از جمله آرایه هیبریداسیون مقایسه‌ای ژنومی و آرایه پلی‌مورفیسم تک نوکلئوتیدی، پیشرفت بزرگی را نشان می‌دهد. از آنجایی که آرایه‌ها حاوی میلیون‌ها کاوشگر هستند که روی ژنوم فاصله دارند، وضوح برای تشخیص از دست دادن یا افزایش تعداد کپی‌ها بسیار بالا است، که منجر به شناسایی ریزحذف‌ها یا ریزدوپلی‌کاری‌هایی می‌شود که تنها چند کیلو باز را شامل می‌شوند.
از دهه 1990، پذیرش گسترده فناوری های آرایه منجر به شناسایی بسیاری از سندرم های ژنتیکی مرتبط با CNV های ژنومی شده است. با این حال، تنها چند مطالعه بر ارتباط CNVs با اختلالات مخچه متمرکز شده‌اند و شواهد محدود است. CNV های مختلف با ناهنجاری های مخچه ای که قبل یا بعد از تولد تشخیص داده شده اند، مرتبط بوده اند.
تا به امروز، مطالعات سیتوژنتیک برای اختلالات مخچه در بیمارانی با ویژگی های سندرمی که نشان دهنده یک بیماری ژنومی زمینه ای است، در حضور سایر ناهنجاری های مغز و/یا سایر اندام ها یا ویژگی های بدشکلی نشان داده شده است. اعتبار چنین تکنیک هایی در بیماران مبتلا به فنوتیپ های آتاکسی ایزوله هنوز مشخص است.
ریشه های ژنتیک مولکولی
استفاده کلاسیک از اصطلاح سیتوژنتیک برای توصیف ساختار کروموزوم و تعیین اینکه چگونه ناهنجاری ها با بیماری مرتبط هستند ظاهر شد. نمونه‌های خون، بافت یا مغز استخوان را می‌توان با سیتوژنتیک مطالعه کرد تا تغییرات کروموزوم‌ها (مانند کروموزوم‌های شکسته، حذف شده، اضافی یا بازآرایی شده) را شناسایی کرد.
در حالی که کروموزوم ها نقش اساسی در زیست شناسی دارند، علاقه به مطالعه آنها تا دهه 1960 به اوج خود نرسید، زمانی که دانشمندان دریافتند که سندرم داون ناشی از نقص کروموزومی است. این امر علاقه دانشمندان را برای کشف بیشتر در مورد چگونگی تأثیر کروموزوم ها بر بیماری برانگیخت. از دهه 1960، مطالعات سیتوژنتیک تعدادی از بیماری ها و شرایطی را که با تغییرات در کروموزوم های خاص مرتبط هستند، کشف کرده است. در حال حاضر سیتوژنتیک برای کمک به پزشکان در انجام تشخیص، برنامه ریزی درمان یا ارزیابی اثربخشی درمان مورد اعتماد است.
سیتوژنتیک از زمان استفاده کلاسیک از اصطلاح آن در معنای خود تکامل یافته است. در حال حاضر، علم مدرن از اصطلاح سیتوژنتیک (یا سیتوژنتیک مولکولی) برای توصیف استفاده از تکنیک‌هایی استفاده می‌کند که کروموزوم را مطالعه می‌کنند، مانند هیبریداسیون ژنومی مقایسه‌ای (CGH)، هیبریداسیون فلورسانس در محل (FISH)، و multicolor FISH. سیتوژنتیک مولکولی همچنین طیف وسیعی از کاربردها را پوشش می دهد، از جمله تصویربرداری in vivo، ریزآرایه ها، نانوبیوتکنولوژی، واکنش زنجیره ای پلیمراز بلادرنگ (PCR)، و تشخیص تک مولکولی.
فناوری FISH در سیتوژنتیک
از بین تمام فناوری های مورد استفاده در سیتوژنتیک، FISH از همه مهمتر است. سال‌های اخیر شاهد نوآوری‌های متعددی در توسعه فناوری سنتی FISH بوده‌ایم که مهم‌ترین آنها ایجاد FISH منفرد، FISH in vivo (تصویربرداری از اسیدهای نوکلئیک در سلول‌های زنده) و FISH مبتنی بر فناوری نانو است. PNA-FISH به ویژه برای استفاده در تشخیص عفونت ها نیز توسعه یافته است. اسید نوکلئیک پپتیدی (PNA) اجازه می دهد تا مولکول های نوکلئیک اسید در مقایسه با پروب های DNA به طور موثرتر و سریع تر مورد هدف قرار گیرند.
سیتوژنتیک و تشخیص سرطان
سیتوژنتیک در توسعه ابزارهای تشخیصی دقیق سرطان اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. روش‌های کاریوتایپینگ سنتی در تشخیص انحرافات سیتوژنتیکی مرتبط با سرطان‌های خاص محدود هستند، زیرا گاهی اوقات به اندازه کافی برای تشخیص این تغییرات حساس نیستند. پیشرفت‌های اخیر در فن‌آوری سیتوژنتیک مولکولی به conventional banding اجازه داده است که تصاویر سیاه و سفید را به رنگ تبدیل کند.
مطلب پیشنهادی: سرطان چیست؟
FISH اکنون یک ابزار ارزشمند برای تحقیقات بالینی در زمینه سرطان شناسی و همچنین توسعه ابزارهای تشخیصی برای لوسمی و سرطان های مختلف است. FISH می تواند به طور موثر ناهنجاری های کروموزومی مرتبط با سرطان را از طریق پروب های DNA نشاندار شده با فلورسنت تشخیص دهد.
آزمایش‌های مبتنی بر FISH، از جمله هیبریداسیون مقایسه‌ای ژنومی (CGH)، CGH آرایه‌ای، و کاریوتایپینگ چندرنگی به دلیل توانایی آنها در تجسم انحرافات کاریوتیپی پیچیده و همچنین انجام کل اسکن جهانی عدم تعادل ژنومی، اکنون در کاربردهای مختلف بالینی رایج هستند. تجزیه و تحلیل CGH آرایه ای متقاطع نیز به عنوان یک فناوری کلیدی برای شناسایی ژن های مرتبط با سرطان های خاص در حال ظهور است.
مطلب پیشنهادی: آزمایش سرطان خون چیست؟
FISH تأثیر بسزایی در تشخیص و پیش آگهی بیماری های هماتولوژیک و سرطان داشته است. همچنین نقش حیاتی در اطلاع رسانی تصمیمات درمانی دارد. FISH به احتمال زیاد توسعه آینده پزشکی شخصی برای این بیماری ها را تسهیل می کند، که در ادامه به تفصیل بیشتر بحث خواهد شد.
مطلب پیشنهادی: آزمایش ژنتیک سرطان
سیتوژنتیک و توسعه پزشکی شخصی و کشف دارو
پزشکی شخصی که به آن پزشکی دقیق نیز گفته می شود، نتیجه رابطه تازه کشف شده بین ژنومیک و کشف دارو است. درک چگونگی تأثیر ژنومیک بر بیماری به دانشمندان اجازه می دهد تا مولکول های دقیق تری را به عنوان کاندیدای دارویی بالقوه برای درمان بیماری در سطح فرد یا جامعه انتخاب کنند.
تکنیک های سیتوژنتیک پنجره ای به مکانیسم های اساسی و راه های درمانی بالقوه برای کشف بیماری های مختلف ارائه می دهد. برای پیشبرد حوزه پزشکی شخصی‌شده، با اجازه دادن به پزشکان برای دسترسی به سطوح غنی‌تری از اطلاعات بالینی که در هنگام ایجاد برنامه‌های مدیریت بیماری از آنها استفاده می‌شود، حیاتی است.
تا به امروز، انکولوژی رشته پزشکی است که بیشترین بهره را از سیتوژنتیک از نظر استفاده از این رشته در پزشکی دقیق برده است. در حال حاضر، تحقیقات سیتوژنتیک در ایجاد درمان های هدفمند و ایمونوتراپی برای طیف وسیعی از سرطان ها موفق بوده است.
مطلب پیشنهادی: آزمایش سرطان
سیتوژنتیک برای اطلاع از کشف دارو برای طیف وسیعی از بیماری ها استفاده می شود. تحقیقات در حال حاضر طیف وسیعی از اهداف درمانی بالقوه را به دست آورده است و کار به ویژه در زمینه بیماری های مندلی به سرعت پیشرفت کرده است. درمان‌های دقیق برای تعدادی از بیماری‌ها، از جمله فیبروز کیستیک، اختلالات ذخیره‌سازی لیزوزومی، آتروفی عضلانی نخاعی و اسکلروز توبروس در حال حاضر از نظر بالینی در دسترس هستند.
در حال حاضر، مشخص نیست که سیتوژنتیک چگونه می‌تواند گزینه‌های دارویی دقیقی را برای همه بیماری‌ها ایجاد کند یا خیر. پیش‌بینی می‌شود که برخی از شرایط، با پایه ژنتیکی قوی‌تر، اولین موردی باشند که سود می‌برند. اما با ادامه تحقیقات، این امکان وجود دارد که رویکردهای پزشکی دقیق ژنومی قابل تعمیم تر شوند.
