Rendimiento del exoma para el diagnóstico temprano de las enfermedades raras genéticas en pacientes pediátricos. Revisión Narrativa

a. Servicio de Neuropediatría Hospital Pediátrico Fundación Cardioinfantil – La Cardio y Unidad de Pediatría Los Cobos Medical Center. Bogotá, Colombia.

Como Citar: Piñeros-Fernández MC. Rendimiento del exoma para el diagnóstico temprano de las enfermedades raras genéticas en pacientes pediátricos. Revisión Narrativa. Pediatr. 2023;56(2):e230.

Autor para correspondencia: Martha Cecilia Piñeros-Fernández
Correo electrónico: martha.pineros.md@gmail.com

Introducción: La definición establecida por la Organización Mundial de la Salud de las enfermedades raras es: «aquellas que afectan a menos de 5 a 7 individuos en 10.000 y, aproximadamente del 6 % al 8 % de la población mundial» Temática: la categoría fenotípica más común de los casos pediátricos y de adultos son los trastornos neurológicos en estudios realizados en diferentes países. En enfermedades raras como son los trastornos de las plaquetas e inmunodeficiencias el rendimiento diagnóstico del exoma se aproxima al 25 % reportado para enfermedades genéticas de presentación común. Los datos de rendimiento diagnóstico del exoma se encuentran por encima del 50 % en enfermedades neurológicas pediátricas tales como enfermedades neuromusculares, trastornos neurometabólicos y paraplejía espástica hereditaria y del 50 % en miocardiopatías dilatadas hereditarias. Conclusión: los avances tecnológicos como la secuenciación de nueva generación han facilitado significativamente el diagnóstico y el descubrimiento de genes nuevos en pacientes con enfermedades genéticas raras, especialmente con la introducción de la secuenciación del exoma.

Palabras clave: Niños, enfermedades raras, enfermedades huérfanas, exoma, secuenciación de exoma completo, rendimiento diagnóstico.

Introduction: The definition established by the World Health Organization of rare diseases is: «those that affect less than 5 to 7 individuals in 10,000 and approximately 6 % to 8 % of the world population» Theme: The most common phenotypic category of pediatric and adult cases are neurological disorders in studies conducted in different countries. In rare diseases such as platelet disorders and immunodeficiencies, the diagnostic yield of the exome is close to the 25 % reported for genetic diseases of common presentation. Exome diagnostic yield data is above 50 % in pediatric neurological diseases such as neuromuscular diseases, neurometabolic disorders, and hereditary spastic paraplegia and 50 % in hereditary dilated cardiomyopathies. Conclusion: Technological advances such as next-generation sequencing has significantly facilitated the diagnosis and discovery of novel genes in patients with rare genetic diseases, especially with the introduction of exome sequencing.

Key words: Child, rare disease, orphan disease, exome, whole exome sequencing, diagnostic yield.

La definición establecida por la Organización Mundial de la Salud (OMS) de las enfermedades raras (ER) es: «aquellas que afectan a menos de 5 a 7 individuos en 10,000 y, aproximadamente del 6 % al 8 % de la población mundial» (1). Las estimaciones varían respecto de exactamente cuántas ER existen, en parte porque cada país define de manera diferente estas enfermedades. El número total de ER oscila entre 5 000 a 8 000 enfermedades (2,3).

Las ER afectan a un número reducido de personas de la población general por esta razón plantean ciertas particularidades (4), como por ejemplo las dificultades para su diagnóstico. Menos del 5 % de las más de 7 000 ER que se cree afectan a los humanos actualmente tienen un tratamiento efectivo (5).

La categorización como tal de las ER empezó a ser aplicada a partir de la Ley de medicamentos huérfanos (Orphan Drug Act, ODA) promulgada por primera vez en los Estados Unidos en 1983, creada para fomentar el desarrollo de medicamentos para ER (6). De acuerdo con la legislación europea, las ER tienen «un límite de prevalencia de no más de 5 casos por cada 10.000» (Reglamento (CE) N.º 141/2000 del Parlamento Europeo y del Consejo, del 16 de diciembre de 1999, sobre medicamentos huérfanos) (7). En Estados Unidos se define una ER cuando la enfermedad afecta a menos de 200 000 personas (2).

Según las estimaciones de la organización privada internacional de pacientes y familias Genes Global Project, 350 millones de personas en el mundo presentan alguna ER, 8 de cada 10 enfermedades raras son de causa genética y el 50 % de los afectados por una ER son niños (8).

La incidencia de las ER en el mundo considerada individualmente es variable, de acuerdo con la OMS «va desde una incidencia de aproximadamente 1 caso por 15.000 habitantes de la fibrosis quística y la hemofilia, hasta enfermedades extremadamente raras de un caso por millón de habitantes como ocurre con la trigonocefalia de Opitz» (9).

En Colombia la ley 1392 de 2010 por medio de la cual se han reconocido las enfermedades huérfanas las que afectan menos 1 por cada 5 000 personas (10). El 10.74 % de personas con enfermedades huérfanas en Colombia tiene discapacidad según el censo realizado en el 2013 (11).

Las tasas mortalidad por ER en Colombia son mayores la población masculina de todas las edades principalmente por leucemia linfoblástica aguda, distrofia muscular, displasia broncopulmonar originada en el periodo perinatal, esclerosis múltiple, síndrome de Guillain-Barré y gastrosquisis. En las mujeres, la esclerosis múltiple fue la primera causa de muerte, seguida de leucemia linfoide aguda, gastrosquisis, displasia broncopulmonar originada en el periodo perinatal, síndrome de Guillain-Barré y leucemia mieloide aguda (12).

Se estima que el 80 % de las ER tienen origen genético, ya sea monogénico o poligénico, las ER de origen no genético son entre otras las enfermedades infecciosas raras, cánceres raros o enfermedades autoinmunes raras (3) (Tabla 1).

En la base de datos de enfermedades de herencia mendeliana (Online Mendelian Inheritance in man, OMIM) de los Institutos de Salud de Estados Unidos (National Institutes of Health, NIH) se encuentran descritos actualmente 5 544 fenotipos para los cuales se conoce una base molecular y 3 314 fenotipos sin una base molecular conocida (13) de estos últimos dos tercios corresponden a ER (14).

Para permitir la visibilización de las ER y calcular con precisión los datos de morbilidad y mortalidad, el grupo asesor temático sobre ER de la OMS y Orphanet en el año 2010 gestionaron el proceso de revisión de la clasificación de las ER las cuales no siempre tienen un código específico, para hacer los registros correctos con los códigos de la clasificación internacional de enfermedades (CIE) en la versión 10 vigente en esa fecha (15).

Se estima que el tiempo promedio para lograr al diagnóstico de una enfermedad rara (ER) es de 8 años (8). Se ha denominado «odisea diagnóstica» a la búsqueda del conocimiento e información sobre un diagnóstico en no pocos casos el proceso inicia para las familias de afectados desde el período neonatal (16).

El concepto de secuenciación, atribuido a Sanger o de primera generación se basa en la demostración hecha por Sanger por primera vez sobre la composición de las proteínas caracterizada por polipéptidos lineales formados por la unión de residuos de aminoácidos en un orden definido, pero aparentemente arbitrario (17). El concepto se trasladó a la secuenciación del DNA.

Los métodos más nuevos se denominan de secuenciación de nueva generación (Next GenerationSequencing – [NGS]) (18). Antes del desarrollo de la secuenciación masiva en paralelo o de nueva generación, se requería hacer la secuenciación individual de cada gen y, si resultaba normal, se seguía estudiando en forma sucesiva otros genes candidatos también mediante secuenciación, con elevados costos en dinero y tiempo (19).

Son útiles para el estudio de una enfermedad o fenotipo hereditario genéticamente heterogéneo. La heterogeneidad genética consiste en que variantes patógenas en diferentes genes pueden causar un mismo fenotipo o una misma enfermedad genética. Los avances en las técnicas de secuenciación masiva en paralelo o de nueva generación han llevado al desarrollo y uso generalizado de paneles multigénicos, que permiten la prueba simultánea desde dos hasta más de 150 genes. Los métodos utilizados en los paneles multigénicos pueden incluir análisis de secuenciación, análisis de supresión - duplicación y/u otras pruebas no basadas en secuenciación (20).

El exoma es la parte del genoma (conjunto de moléculas de DNA) formado por los exones, los fragmentos de DNA que se transcriben para dar lugar a las proteínas. El estudio del exoma es una de las formas más completas y complejas de estudiar el DNA. La secuenciación del exoma es una técnica para secuenciar (conocer la secuencia de las bases de DNA, es decir, cómo se ordenan en la cadena de DNA de todos los genescodificadores, esto corresponde al 1 % del genoma completo, siendo una estrategia eficiente para identificación de mutaciones funcionales raras (21).

Consiste en seleccionar primero ese subconjunto de DNA que codifica las proteínas, es decir, los exones. En un paso posterior se trata de identificar la secuencia usando una tecnología de secuenciación de DNA de alto rendimiento o secuenciación masiva.

El rendimiento diagnóstico se refiere a la proporción de individuos con un fenotipo determinado en quienes se detecta una variante patogénica o mutación en la secuenciación de un gen, exoma o genoma (22).

La secuenciación del exoma del probando tiene un rendimiento diagnóstico estimado del 25 %. Los casos para los cuales la secuenciación del exoma no es diagnóstica se debe a que el diagnóstico se encuentra fuera de los datos producidos, la mutación causante se encuentra en una región de codificación no cubierta por el exoma, o es no codificante; o la causa no es genética (23). Cada año se reportan aproximadamente 250 asociaciones nuevas de genes y enfermedades y 9 200 asociaciones de variante y enfermedades (24).

La disponibilidad de datos de frecuencia de variantes entre poblaciones grandes ha llevado a que muchas variantes de significado incierto se reclasifiquen como benignas, y la realización de pruebas a miembros de la familia del probando pueden llevar a la reclasificación de variantes (25).

El genoma humano incluye todas las secuencias de ADN mitocondrial y nuclear codificante y no codificante. El ADN nuclear codifica la mayoría de los más de 20,000 genes en humanos y el ADN mitocondrial codifica 37 genes. Más de 3,2 millones de pares de bases que forman el genoma humano son en su mayoría secuencias de ADN repetitivo o no codificante (20). Con la secuenciación del genoma completo (WGS, por sus siglas en inglés), el genoma humano completo de 6 mil millones de pares de bases se lee en una única prueba que permite la detección de variaciones genéticas con una resolución de pares de bases en un individuo (26). Otros estudios genéticos como la secuenciación de ARN ( RNAseq) permite determinar la estructura transcripcional de los genes (27). Puede ser útil para detección de mutaciones asociadas a enfermedades raras que cursan trastornos neuromusculares no detectadas con paneles de genes y la secuenciación del exoma (28).

Clasificación de las enfermedades raras según órgano, sistema o tipo de compromiso

Enfermedades cardíacas raras

Anomalías del desarrollo durante la embriogénesis

Malformaciones cardíacas raras

Trastornos raros de la succión -deglución

Errores innatos del metabolismo raros

Enfermedades gastrointestinales

Enfermedades genéticas

Enfermedades neurológicas

Enfermedades abdominales quirúrgicas

Enfermedades hepáticas

Enfermedades respiratorias

Enfermedades urogenitales

Enfermedades torácicas quirúrgicas

Enfermedades de la piel

Enfermedades renales

Enfermedades de los ojos

Enfermedades endocrinológicas

Enfermedades hematológicas

Enfermedades inmunológicas

Enfermedades reumatológicas

Enfermedades odontológicas

Enfermedades del sistema circulatorio

Trastornos raros de la fertilidad

Enfermedades neoplásicas

Intoxicaciones raras

Enferme des gineco-obstétricas

Enfermedad maxilofacialesquirúrgicas

Enfermedades alérgicas

Enfermedades teratológicas

Anomalías cromosómicas

Enfermedades reumatológicas de la infancia

Enfermedades raras con potencial indicación de trasplante

El objetivo de la presente revisión revisar la información actualizada sobre el rendimiento diagnóstico de la secuenciación del exoma para ER en edad pediátrica, empleado para el diagnóstico de las enfermedades raras.

Para la presente revisión narrativa se consultaron las bases de datos Medline, Lilacs BVS y Google Scholar. Se revisaron estudios en español, inglés. Los términos utilizado para las búsquedas fueron [child, rare diseases, orphan diseases, whole exome sequencing, exome, diagnostic yield] y los operadores booleanos AND y OR.

En la tabla 2 se resumen las características y resultados de 17 estudios sobre diagnóstico de ER mediante exoma, las patologías sobre las que versaron los estudios fueron principalmente neurológicas.

La variabilidad clínica de ciertas patología podría influir en el rendimiento diagnóstico, un ejemplo de esto es estudio sobre diagnóstico de inmunodeficiencias con un elevado número de participantes sin embargo el rendimiento diagnóstico no fue superior al observado al reportado en general para estudios exoma (29), dentro del grupo de inmunodeficiencias que hace difícil establecer fenotipos exhaustivos como si se logra con enfermedades como las neuromusculares (30).

En trastornos hereditarios de las plaquetas el rendimiento del exoma puede ser incluso de 23 % que es un dato inferior al 25 % esperado en enfermedades mendelianas comunes (31). En condiciones genéticamente heterogéneas el rendimiento diagnóstico del exoma se incrementa hasta 86 % en comparación con el 39 % cuando se trata de un diagnóstico no conocido, es menor del 25 % en casos de discapacidad intelectual sin anomalías congénitas (14 %), el exoma en trío es decir cuando se realiza la secuenciación de exoma del paciente afectado y de sus dos progenitores tendría un mayor rendimiento en este subgrupo de pacientes (32).

Rendimiento del exoma en enfermedades rara neurológicas en pacientes pediátricos

En el estudio del Instituto de Salud de Estados Unidos (NIH) de pacientes con ER no diagnosticadas la categoría fenotípica más común de los casos pediátricos y de adultos fueron los trastornos neurológicos, que abarcaron el 43 % de los solicitantes y el 53 % de los pacientes aceptados (33).

Los resultados del grupo del Programa Español de pacientes con ER no diagnosticadas (34) sobre el análisis del exoma de pacientes con patologías diversas, también mostraron una elevada frecuencia de pacientes con cuadros clínicos neuro genéticos que son trastornos son muy complejos y los pacientes suelen tener fenotipos amplios y diversos, como discapacidad intelectual, micro o macrocefalia, retraso del desarrollo neurológico, problemas de alimentación, epilepsia, hipotonía, anomalías de la estructura del cerebro, rasgos faciales dismórficos, etc. En este mismo estudio citan los resultados de la publicación de Yang sobre el análisis diagnóstico de 2000 pacientes con sospecha de trastornos genéticos, los pacientes eran principalmente pediátricos (88 %) con diversas manifestaciones clínicas, la mayoría de las cuales incluían disfunción del sistema nervioso (23). Otro grupo de enfermedades en los que la utilidad del exoma es superior al 70 % es el de las ictiosis hereditarias (35).

En el registro de pacientes con enfermedades raras realizado en Veneto (Italia) se encontró que el porcentaje de pacientes con enfermedades del sistema nervioso en el grupo de edad pediátrica era casi el doble que en el de adultos (1 3 % vs. 5.8 %) (36).

En las ER con fenotipo neurológico, los resultados de rendimiento diagnóstico se ubican por encima del 50 % para enfermedades neuromusculares (30,37), trastornos neuro metabólicos (38) y paraplejía espástica hereditaria (39) y miocardiopatías dilatadas hereditarias (40). El rendimiento es similar en el estudio de pacientes con errores innatos del metabolismo (41).

En trastornos severos del neurodesarrollo y las ataxias de inicio en la edad pediátrica el rendimiento diagnóstico del exoma es de alrededor del 40 % (42,43). En el estudio de encefalopatías epilépticas y epilepsias sindromáticas se logra un rendimiento diagnóstico del superior al 40 % (44,45).

Los trastornos neurológicos secundarios a las mutaciones de un solo gen son un grupo extremadamente heterogéneo de enfermedades, individualmente raras, y a menudo se asocian con discapacidad progresiva y severa. Dado el grado de heterogeneidad clínica y genética, la secuenciación de nueva generación se ha convertido en una herramienta de diagnóstico importante. También hay pacientes con enfermedades neurológicas causadas por enfermedades genéticas aún no identificadas, para estos individuos, será necesario realizar más estudios para identificar y caracterizar estos nuevos genes de enfermedades con la traslación de este conocimiento a la clínica (46).

Los estudios sobre análisis reiterado del exoma tienen en común poblaciones grandes con patologías diversas. En un estudio con 1133 pacientes el segundo análisis del exoma elevó el rendimiento diagnóstico del 27 % al 40 %, reportado por el mismo grupo en la misma población de estudio (47). En otro estudio de 1059 pacientes, se aumentó el número de casos diagnosticados en 44 pacientes, el rendimiento diagnóstico se incrementó en 4,2 % con respecto al análisis inicial (48). En el reporte de análisis de un grupo mixto de enfermedades con patrón mendeliano, el rendimiento diagnóstico fue 26 % y aumentó a 28 % en el segundo análisis (49).

En el estudio de Nambot se hicieron 2 análisis reiterados del exoma con diferencia de un año el análisis inicial dio un rendimiento diagnóstico de 22 %, la primera revisión del análisis mejoró el rendimiento hasta 22.7 % y en la segunda revisión el rendimiento diagnóstico subió a 27. 4 % para un aumento final del 5.4 % del rendimiento diagnóstico (50).

Tabla 2. Resumen de los artículos seleccionados para la revisión narrativa

Ref

Título del estudio

Tipo de enfermedad estudiada

Número de casos

analizados

Rendimiento

Diagnóstico (%)

(31)

Whole-exome sequencing for diagnosis of hereditary ichthyosis.

Ictiosis hereditaria

79.4

(32)

Improved diagnostic yield of neuromuscular disorders applying clinical exome. sequencing in patients arising from a consanguineous population.

Enfermedades

neuromusculares

(34)

Exome Sequencing and the Management of Neurometabolic Disorders.

Trastornos

neurometabólicos

(47)

SpainUDP: TheSpanishUndiagnosed

Rare

Diseases

Program

Pacientes con signos y síntomas clínicos que no identificables o atribuibles a un trastorno conocido, a pesar de extensas investigaciones clínicas con retardo mental, trastorno del movimiento, encefalopatía epiléptica, talla baja

(35)

The impact of next-generation sequencing on the diagnosis of

pediatric-onset hereditary spastic paraplegias: new genotype-phenotype correlations for rare HSP-related genes.

Paraplejía

espástica hereditaria

(39)

Genetic landscape of Rett syndrome-like phenotypes revealed by whole exome sequencing

Síndrome Rett-like

50.6

(36)

Diagnostic Yield of Whole Exome Sequencing in Pediatric Dilated Cardiomyopathy.

Miocardiopatía dilatada

pediátrica

(37)

Diagnosing childhood-onset inborn errors of metabolism by next-generation sequencing

Errores innatos del metabolismo

102

(44)

Diagnostic exome sequencing of syndromic epilepsy patients in clinical practice

Epilepsia sindrómica

(38)

Enhanced diagnostic yield in Meckel-Gruber and Joubert syndrome through exome sequencing supplemented with split-read mapping.

Síndrome de Meckel Gruber y síndrome de Joubert

(43)

The role of recessive inheritance in early-onset epileptic encephalopathies: a combined whole-exome sequencing and copy number study.

Encefalopatías epilépticas

(40)

Whole exome sequencing in neurogenetic odysseys: An effective, cost- and time-saving diagnostic approach.

Enfermedades neurogenéticas

(41)

Diagnostic odyssey in severe neurodevelopmental disorders: toward clinical whole-exome sequencing as a first-line diagnostic test

Trastornos severos del neurodesarrollo

32,5

(45)

Diagnostic yield of genetic testing in 324 infants with hypotonia

Hipotonía

134

(42)

Exome sequencing as a diagnostic tool for pediatric-onset ataxia

Ataxia de inicio en edad pediátrica

(29)

Exome sequencing in routine diagnostics: a generic test for 254 patients with primary immunodeficiencies

Inmunodeficiencias

254

(30)

Utility and limitations of exome sequencing in the molecular diagnosis of pediatric inherited platelet disorders

Trastornos hereditarios de las plaquetas

23.8

El exoma es una tecnología de secuenciación genética de nueva generación recomendable como estudio diagnóstico de primera línea en pacientes con ER con una media de rendimiento diagnóstico mayor que el observado en enfermedades genéticas comunes.

Parece ser que el rendimiento diagnóstico del exoma es mayor en pacientes con ER en las que el compromiso es predominantemente neurológico. El análisis reiterado del exoma podría beneficiar a pacientes a quienes no se les hecho el diagnóstico definitivo de una ER.

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Rendimiento del exoma para el diagnóstico temprano de las enfermedades raras genéticas en pacientes pediátricos. Revisión Narrativa

Exome yield for early diagnosis of rare genetic diseases in pediatric patients. Narrative Review