Karyotype: het complete chromosomenprofiel van een cel
Stel je een cel voor als een bibliotheek en de chromosomen als de boeken waarin al het erfelijke materiaal staat opgeslagen. Een karyotype is niets meer of minder dan een foto van alle boeken uit die bibliotheek, netjes op volgorde van grootte gelegd zodat je in één oogopslag kunt zien of er een boek ontbreekt, een boek dubbel is, of een boek beschadigd is. Bij de mens bestaat die volledige set normaal gesproken uit 46 chromosomen: 23 gekregen van de moeder en 23 van de vader, samen 22 paren plus de twee geslachtschromosomen (XX bij vrouwen, XY bij mannen).
Artsen en onderzoekers maken al meer dan zestig jaar karyotypes om te controleren of dat aantal en die structuur klopt. Ontbreekt er een chromosoom, is er een extra kopie, of is een stukje van het verkeerde chromosoom aan een ander vastgeplakt? Dat soort afwijkingen kan grote gevolgen hebben, van aangeboren syndromen tot bepaalde vormen van kanker. Een karyotype is dus niet zozeer een nieuwe technologie als wel een fundamentele diagnostische methode die nog altijd relevant is, ook nu er veel geavanceerdere DNA-technieken bestaan.
Wat is het precies?
Om een karyotype te maken heb je levende, delende cellen nodig, meestal witte bloedcellen uit een bloedmonster, of bij een zwangerschap cellen uit vruchtwater of placentaweefsel. Die cellen worden eerst een paar dagen in het laboratorium gekweekt zodat ze zich gaan delen.
Vervolgens wordt een stofje toegevoegd, vaak colchicine, dat de celdeling stopzet op het moment dat de chromosomen het meest opgevouwen en dus het best zichtbaar zijn: de zogeheten metafase. Daarna worden de cellen kort in een zoutarme oplossing gelegd, waardoor ze opzwellen en de chromosomen verder uit elkaar komen te liggen. Dat maakt ze makkelijker te onderscheiden onder de microscoop.
De cellen worden vervolgens op een glaasje uitgesmeerd, gefixeerd en gekleurd. De meest gebruikte kleurmethode heet G-banding: chromosomen krijgen dan een karakteristiek streeppatroon van lichte en donkere banden, vergelijkbaar met een barcode. Elk chromosoom heeft zijn eigen bandenpatroon, waardoor je nummer 1 nooit verwart met nummer 12.
Onder de microscoop worden foto's gemaakt en worden alle chromosomen digitaal of met de hand uit elkaar geknipt en op volgorde van grootte gelegd, van het grootste (chromosoom 1) tot het kleinste (chromosoom 21, dat ondanks zijn nummer kleiner is dan chromosoom 22). Het eindresultaat, zo'n gerangschikt overzicht, heet een karyogram en is wat de meeste mensen voor ogen hebben bij het woord karyotype.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van karyotypering is het opsporen van chromosomale afwijkingen: te veel, te weinig, of verkeerd geplaatst genetisch materiaal. Dat gebeurt op een paar terreinen die met elkaar samenhangen.
In de prenatale diagnostiek wordt gekeken of een ongeboren kind een extra of ontbrekend chromosoom heeft, zoals bij het downsyndroom (een extra chromosoom 21, ook wel trisomie 21 genoemd). In de kindergeneeskunde helpt een karyotype bij het verklaren van ontwikkelingsachterstanden of aangeboren afwijkingen. Bij onvruchtbaarheid kan een karyotype van de ouders soms verklaren waarom een zwangerschap niet lukt of eindigt in een miskraam.
In de oncologie, de kankergeneeskunde, worden karyotypes van tumorcellen gemaakt omdat bepaalde kankersoorten gepaard gaan met specifieke, herkenbare chromosoomafwijkingen. Dat helpt niet alleen bij het stellen van de diagnose, maar soms ook bij het kiezen van de juiste behandeling.
Onderliggend doel is steeds hetzelfde: een compleet, betrouwbaar overzicht krijgen van het genetisch materiaal van een cel, zonder dat je het hele DNA hoeft uit te lezen. Een karyotype is daarmee een relatief grofmazig maar krachtig eerste-linie-instrument.
Voorbeelden uit de praktijk
De geschiedenis van karyotypering kent een aantal mijlpalen die de geneeskunde blijvend hebben veranderd.
In 1959 toonde de Franse arts Jérôme Lejeune, samen met onder anderen Marthe Gautier, aan dat het downsyndroom wordt veroorzaakt door een extra kopie van chromosoom 21. Het was de eerste keer dat een chromosomale afwijking rechtstreeks aan een aandoening werd gekoppeld. Overigens is er de afgelopen decennia discussie geweest over de vraag of Gautier destijds voldoende erkenning kreeg voor haar aandeel in de ontdekking.
In 1960 ontdekten de Amerikaanse onderzoekers Peter Nowell en David Hungerford in Philadelphia een opvallend klein chromosoom in de cellen van patiënten met chronische myeloïde leukemie, een vorm van bloedkanker. Dit werd bekend als het Philadelphia-chromosoom. Jaren later, in de jaren zeventig, liet de Amerikaanse onderzoeker Janet Rowley zien dat dit chromosoom ontstaat doordat delen van chromosoom 9 en 22 van plaats wisselen, wat een nieuw fusie-gen oplevert dat de ziekte aandrijft. Deze ontdekking ligt aan de basis van gerichte kankermedicijnen die tegenwoordig worden gebruikt.
Sinds de jaren negentig wordt karyotypering ook toegepast bij in-vitrofertilisatie (ivf): embryo's kunnen voorafgaand aan de terugplaatsing worden gescreend op chromosoomafwijkingen, een techniek die tegenwoordig meestal PGT-A heet (preimplantatie genetische test voor aneuploïdie).
Rond 2011 kwamen de eerste commerciële niet-invasieve prenatale tests (NIPT) op de markt, zoals de MaterniT21-test. Deze tests analyseren stukjes foetaal DNA die vrij rondzweven in het bloed van de zwangere en kunnen zo, zonder vruchtwaterpunctie, een indicatie geven van veelvoorkomende trisomieën. In Nederland wordt NIPT sinds 2017 breed aangeboden aan zwangeren als eerste screeningsoptie.
Hoe ver is de techniek?
Klassieke karyotypering met G-banding wordt al sinds de jaren zeventig op vrijwel dezelfde manier uitgevoerd en is in die zin een volwassen, gestandaardiseerde techniek. Toch is het veld sindsdien flink veranderd, vooral doordat er gevoeliger technieken naast en soms in plaats van karyotypering zijn gekomen.
Een belangrijke beperking van de klassieke methode is de resolutie: alleen afwijkingen van pakweg vijf tot tien miljoen baseparen of groter zijn zichtbaar onder de microscoop. Kleinere deleties of duplicaties blijven onopgemerkt. Technieken zoals array-CGH (array comparative genomic hybridization) en, tegenwoordig steeds vaker, volledige genoomsequencing kunnen veel kleinere afwijkingen detecteren, tot op het niveau van enkele duizenden baseparen of zelfs losse letters in het DNA.
Daarnaast kost klassieke karyotypering tijd: de cellen moeten eerst dagenlang gekweekt worden voordat er iets te zien is, terwijl veel moleculaire tests binnen een paar dagen of zelfs uren een uitslag geven. Voor spoedeisende situaties, bijvoorbeeld bij een zwangerschap laat in de termijn, is dat een reëel nadeel.
Toch blijft karyotypering onmisbaar in een aantal situaties. Alleen een karyotype laat direct zien hoe chromosomen structureel zijn herschikt, bijvoorbeeld bij een gebalanceerde translocatie waarbij stukken van twee chromosomen zijn omgewisseld zonder dat er materiaal verloren gaat. Zulke veranderingen zijn voor de drager zelf vaak onschadelijk, maar kunnen wel de kans op miskramen of afwijkingen bij nakomelingen vergroten. Moleculaire tests die naar hoeveelheden DNA kijken, missen dit soort herschikkingen juist omdat er niets bij- of afkomt.
Een recentere ontwikkeling is het gebruik van kunstmatige intelligentie om karyotypebeelden automatisch te analyseren, chromosomen te herkennen en te sorteren. Dat werk gebeurde vroeger grotendeels handmatig door gespecialiseerde laboranten en kan door automatisering sneller en consistenter verlopen, al blijft menselijke controle vooralsnog noodzakelijk bij twijfelgevallen.
Wie werken eraan?
Karyotypering zelf wordt wereldwijd uitgevoerd in klinisch-genetische en cytogenetische laboratoria, vaak verbonden aan ziekenhuizen en universiteiten. In Nederland gebeurt dit vooral binnen de klinische genetica-afdelingen van de universitair medische centra (umc's).
Op het gebied van aanverwante, modernere technieken zijn ook commerciële bedrijven actief. Illumina (Verenigde Staten) levert veel van de sequencing-apparatuur die wordt gebruikt voor NIPT en genoomanalyse. Natera (Verenigde Staten) is bekend van de Panorama-NIPT-test, en het Chinese BGI is wereldwijd een grote speler in genoomsequencing en prenatale screening. Klinische laboratoriumketens zoals Labcorp en Quest Diagnostics (beide Verenigde Staten) voeren dagelijks grote aantallen genetische testen uit, waaronder karyotypes.
Internationale afstemming over naamgeving en classificatie van chromosoomafwijkingen verloopt via het International System for Human Cytogenomic Nomenclature (ISCN), een samenwerkingsverband van cytogenetici uit verschillende landen dat regelmatig een geactualiseerde standaard publiceert. Daarnaast houden internationale gezondheidsorganisaties zoals de Wereldgezondheidsorganisatie zich bezig met richtlijnen rond prenatale screening in bredere zin.