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

Giải trình tự genthế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing) hay còn được biết đến với tên gọi giải trình tự băng thông rộng (Massive Parallel Sequencing - MPS) là công nghệ giải trình tự tiên tiến được ứng dụng trong lĩnh vực phân tích di truyền. Bài viết này được viết dưới sự hướng dẫn chuyên môn của ThS.BS Nguyễn Đình Tuấn, Khối Di truyền y học - Trung tâm Công nghệ cao Vinmec. 1. Giải trình tự gen thế hệ mới là gì? Giải trình tự genlà phương pháp dùng để xác định chuỗi nucleotide của các gen cụ thể, bao gồm cả gen mã hóa và không mã hóa cho các protein chức năng liên quan. Giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) là công nghệ có khả năng giải mã hàng triệu đoạn ADN cùng lúc, góp phần thúc đẩy hiệu suất giải mã hệ gen người. Bên cạnh đó, công nghệ NGS còn có những lợi ích như: thời gian đọc nhanh, dữ liệu đầu ra lớn và tiết kiệm chi phí, khắc phục được một số nhược điểm của phương pháp trình tự gen truyền thống. Nhờ vào tính linh hoạt và đa dạng về thiết kế quy trình chuẩn bị thư viện, công nghệ giải trình tự thế hệ mới có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều nhu cầu ứng dụng khác nhau. 2. 2. Các quy trình giải trình tự gen thế hệ mới phổ biến Công nghệgiải trình tự genthế hệ mới (NGS) có gồm ba ứng dụng phổ biến sau: Giải trình toàn bộ hệ gen: Quy trình này xác định trình tự cho cả bộ gen của sinh vật, bao gồm cả con người. Giải trình tự toàn bộ exon: Mặc dù chỉ chiếm 1% bộ gen nhưng Exon đóng vai trò vô cùng quan trọng khi chứa đựng thông tin mã hóa trực tiếp cho các protein thiết yếu thực hiện chức năng trong cơ thể. Do đó, những thay đổi trình tự của exon có thể liên quan trực tiếp đến bệnh tật hay tình trạng sức khoẻ của con người. Hiện nay, quy trình phân tích Exon đã được thương mại hóa, giúp việc thực hiện trở nên dễ dàng và phổ biến hơn. Giải trình tự một/vài gen cụ thể: Quy trình này tập trung xác định trình tự của một hoặc một số gen cụ thể có liên quan đến một bệnh lý nhất định, ví dụ như nhóm gen liên quan đến hội chứng ung thư di truyền. Do chỉ tập trung vào số lượng gen hạn chế với mục tiêu rõ ràng, quy trình này cho độ chính xác và hiệu quả cao, đồng thời tiết kiệm chi phí thực hiện. 3. Ứng dụng giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) Công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) mang đến nhiều ứng dụng có lợi ích to lớn trong lĩnh vực y tế. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm: 3.1. Sàng lọc trước sinh không xâm lấn (NIPT) Từ năm 2011,xét nghiệm sàng lọc trước sinh không xâm lấn(NIPT) đã được ứng dụng trong thăm khám thai sản. Phương pháp này hoạt động dựa trên phân tích ADN tự do có nguồn gốc từ nhau thai và tế bào lá nuôi đã chết. NIPT được xem như một xét nghiệm sàng lọc sớm, có khả năng xác định giới tính thai nhi và phát hiện các bất thường nhiễm sắc thể. Với việc sử dụng công nghệ giải trình gen hiện đại,xét nghiệm NIPTcó khả năng đánh giá nguy cơ mắc các dị tật thai nhi một cách chính xác ngay từ tuần thứ 10 của thai kỳ, mang lại lợi ích to lớn cho quá trình sàng lọc trước sinh. 3.1.1.Các bất thường số lượng nhiễm sắc thể thường: Hội chứng Down(Trisomy 21) dẫn đến thiểu năng trí tuệ và các vấn đề liên quan đến tim mạch, hệ tiêu hóa và các cơ quan khác. Hội chứng Edwards(Trisomy 18) thường gây chết thai hoặc tử vong sau khi sinh, với tỷ lệ sống sót qua một năm tuổi chỉ từ 5% đến 10%. Hội chứng Patau(Trisomy 13) làm sẩy thai, thai lưu hoặc tử vong sớm sau khi sinh, thường đi kèm với các dị tật bẩm sinh như dị tật 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 Kỹ thuậtxét nghiệm ADNthai nhi trước sinh không xâm lấn là phương pháp tiên tiến hiện đại nhất hiện nay, giúp xác định mối quan hệ cha con trước sinh với mức độ chính xác cực cao lên đến hơn 99,99%. Nhau thai là nơi chứa đựng ADN của thai nhi. Khi các tế bào nhau thai già đi và chết theo quy trình tự nhiên, các tế bào này sẽ giải phóng ADN vào máu mẹ, hòa lẫn với ADN tự do trong máu của người mẹ (cell-free fetal DNA). Bắt đầu từ tuần thứ 6 thai kỳ, thai nhi bắt đầu giải phóng ADN tự do vào máu mẹ. Lượng ADN này chiếm khoảng 10% tổng lượng ADN tự do trong máu mẹ và biến động theo độ tuổi thai nhi. ADN thai nhi sẽ lưu hành trong máu mẹ suốt thai kỳ và biến mất vài giờ sau khi sinh. Phương pháp xét nghiệm ADN thai nhi không xâm lấn sử dụng mẫu máu của mẹ để phân tích, hoàn toàn không ảnh hưởng đến sức khỏe của cả mẹ và thai nhi. Xét nghiệm ADN huyết thốngkhông xâm lấn sử dụng kỹ thuật tiên tiến để phân tích các phân tử ADN tự do của thai nhi có trong máu mẹ. Xét nghiệm ADN huyết thốngkhông xâm lấn sử dụng kỹ thuật tiên tiến để phân tích các phân tử ADN tự do của thai nhi có trong máu mẹ. Khác với phương pháp chọc ối truyền thống tiềm ẩn nguy cơ, xét nghiệm này chỉ cần 7-10ml máu lấy từ mẹ, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho cả mẹ và thai nhi. 3.3. Sàng lọc ung thư di truyền Theo một số thống kê, ung thư do di truyền chiếm 5-10% tổng số ca bệnh, hình thành qua nhiều thế hệ do tích tụ đột biến gen.Giải trình tự genthế hệ mới giúp sàng lọc toàn diện, phát hiện các gen liên quan đến ung thư và bệnh hiếm gặp do đột biến gen, mang lại bức tranh tổng thể về gen trong xét nghiệm di truyền. 3.4. Xác định các đột biến di truyền hiếm gặp và bệnh lý di truyền đa gen Nhờ vào tiến bộ trong kỹ thuật NGS và phương pháp phân tích tiên tiến, các nhà khoa học đã phát hiện thêm nhiều đột biến gen liên quan đến các bệnh di truyền hiếm gặp và bệnh lý di truyền do nhiều gen bị đột biến. Việc xác định chính xác các đột biến này đóng vai trò quan trọng trong quá trình chẩn đoán, tiên lượng và xây dựng phác đồ điều trị phù hợp cho bệnh nhân. Dự kiến trong vài thập kỷ tới, hơn 3.500 gen mới sẽ được xác định và bổ sung vào "Atlas" về các bệnh hiếm gặp ở người. Dự kiến trong vài thập kỷ tới, hơn 3.500 gen mới sẽ được xác định và bổ sung vào "Atlas" về các bệnh hiếm gặp ở người. Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ NGS, các kiến thức về bệnh lý di truyền hiếm gặp sẽ ngày càng được hoàn thiện, mở ra cơ hội cho các nghiên cứu sớm tìm ra phương pháp điều trị bệnh hiếm. 3.5. Ứng dụng trong y học cá thể hóa Y học cá thể hóa khai thác thông tin từ dữ liệu di truyền của mỗi cá nh nhằm mục tiêu đưa ra phương pháp điều trị phù hợp và hiệu quả nhất cho từng bệnh nhân tại từng thời điểm. Công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) đánh dấu một bước tiến đột phá cho lĩnh vực y học cá thể hóa nhờ khả năng phát hiện: Các đột biến somatic là những thay đổi gen diễn ra trong quá trình phát triển cơ thể. Các cơ chế kháng thuốc, đánh giá mức độ đột biến (mutational burden). Các đột biến ở dòng mầm… Nhờ vào kết quả giải trình tự gen thế hệ mới, bác sĩ có thể lựa chọn các loại thuốc phù hợp và liều lượng an toàn hơn cho từng bệnh nhân. Đồng thời, công nghệ này cũng góp phần thúc đẩy hoàn thiện quy trình sản xuất thuốc hiệu quả hơn. 3.6. Đồng thời, công nghệ này cũng góp phần thúc đẩy hoàn thiện quy trình sản xuất thuốc hiệu quả hơn. 3.6. Xét nghiệm di truyền trước chuyển phôi Ước mơ về một em bé khỏe mạnh luôn hiện hữu trong lòng mỗi bậc cha mẹ, đặc biệt là những cặp vợ chồng hiếm muộn, vô sinh. Do đó, sàng lọc di truyền phôi (PGS hay PGT-A) đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật thụ tinh nhân tạo IVF, giúp hiện thực hóa mong ước ấy. Nhờ phương pháp này, các bác sĩ có thể phát hiện đột biến số lượng nhiễm sắc thể ở phôi, từ đó lựa chọn phôi khỏe mạnh nhất để cấy ghép, nâng cao tỷ lệ mang thai thành công. Hiện nay, nhiều kỹ thuật sàng lọc phôi tiên tiến được phát triển, bao gồm: FISH, Real-time PCR, Microarray và giải trình tự gen thế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing). Nổi bật trong số đó, NGS được xem là tiêu chuẩn trong lĩnh vực sàng lọc di truyền phôi PGS. Nhờ khả năng phân tích toàn diện và chính xác cao, NGS vượt trội so với các phương pháp sàng lọc phôi trước đây, trở thành lựa chọn hàng đầu trên toàn thế giới.Công nghệ giải trình tự genthế hệ mới này đang là xu hướng và tiêu chuẩn trong lĩnh vực sàng lọc di truyền phôi, góp phần nâng cao tỉ lệ thành công cho các ca thụ tinh trong ống nghiệm (IVF).