Development and assessment of strategies for non-invasive prenatal diagnosis using fetal cells in maternal blood

Abstract

Abstract : Current prenatal diagnosis depends on invasive procedures and is thus offered only to high-risk pregnancies. Development of non-invasive prenatal diagnosis (NIPD) would change the risk-benefit ratio and make it likely that more women would benefit from prenatal testing. Scientists have documented the presence of rare fetal cells in maternal blood and envisioned targeting them with specific markers and their use in NIPD. Considering their extremely low frequency in maternal blood, fetal cells have been difficult to retrieve and use in clinical practice. Therefore, there is a pressing need for systematic sequential studies to evaluate their feasibility in NIPD. Generally, detection of rare cells within a large cell population carries great potentialities for the prospects of cancer management and NIPD. Manual scanning is very cumbersome and time-consuming Therefore; the first part of our project was, dedicated to the optimization of an effective strategy to evaluate retrieval of rare cells. We have developed a way of distributing a controlled number of target cells among hundreds of thousands of other cells on microscope slides. This strategy allows the precise evaluation of the retrieval of rare events and the comparizon of the efficacy of different techniques and enrichment approaches by knowing the definite number and locations of target cells on the slides. Furthermore, it allows the evaluation of hybridization of missed events. We have also developed a robust custom-made detection algorithm for rare cells using the MetaSystems automated platform and have used this strategy in the validation of manual and automatic scanning of 60 slides with a pre-defined number of rare male cells among a pure population of female cells using XY-FISH. Consequently, we tested the developed classifier for the detection of real fetal cells from maternal blood in both normal and aneuploid pregnancies with Down syndrome. We further evaluated the number of fetal cells with different methods of enrichments in the first and second trimesters. The data collected confirmed the early presence of fetal cells in all of the pregnancies tested and their frequencies were higher in cases of aneuploidies. Fetal cells are in a state of dynamic change throughout the pregnancy. Higher numbers of these cells can be obtained by optimizing the harvest time and methods of enrichment. We found that automatic scanning is more sensitive and reliable than manual detection. Furthermore, it alleviates the burden of scanning large numbers of cells and thus is more suitable for clinical application. We also demonstrated the feasibility of using rare cells in NIPD. Five microdissected amniotic fetal cells from 26 cases of normal and aneuploid pregnancies were quite enough to provide accurate NIPD through using whole genome amplification coupled with QF-PCR. Our findings laid the ground for the use of rare fetal cells in maternal blood for NIPD. // Résumé : Le diagnostic prénatal résulte encore aujourd’hui de procédures invasives, qui présentent des risques pour la grossesse. Le développement du diagnostic prénatal non-invasif (DPNI) changerait le rapport risque : bénéfice, rendant le diagnostic prénatal plus intéressant pour les femmes enceintes. Plusieurs chercheurs ont montré la présence de cellules fœtales dans le sang maternel et des travaux ont été entrepris afin de les cibler et de les utiliser éventuellement en DPNI. Toutefois, la faible concentration des cellules fœtales dans le sang maternel réduit les possibilités d’isolement ainsi que celles de leur utilisation en clinique. Un autre aspect technique du DPNI, le balayage manuel, est très laborieux, surtout en terme de temps technique. Il y a donc un besoin certain pour des études approfondies afin d’évaluer et d’améliorer la faisabilité du DPNI. La détection d’évènements rares dans une grande population cellulaire offre un potentiel pour le diagnostic en oncologie mais aussi en diagnostic prénatal. Dans cette thèse, la première étude était dédiée à l’optimisation d’une stratégie pour détecter les cellules rares. Nous avons développé une méthode d’étalement sur lame d’un nombre précis de cellules cibles parmi des centaines de milliers de cellules. Cette stratégie a permis d’évaluer le taux de détection d’évènements rares et de comparer l’efficacité des techniques d’enrichissement en connaissant le nombre exact et la localisation de cellules cibles sur les lames. De plus, il a été possible d’évaluer les problèmes d’hybridation des évènements manqués. Nous avons, par la suite, développé un algorithme robuste pour la détection de cellules rares en utilisant la plateforme de microscopie automatisée MetaSystems et utilisé cette approche dans la validation des balayages manuel et automatique d’un nombre précis de cellules mâles parmi une large population de cellules femelles marquées avec la technique FISH. Nous avons testé ce classificateur avec des échantillons de sang de femmes enceintes de grossesses normales et aneuploïdes et évalué la fréquence de cellules fœtales isolées par différentes méthodes d’enrichissement au cours des premier et second trimestres de grossesse. Les données accumulées ont confirmé la présence de cellules fœtales chez toutes les grossesses et leur fréquence plus élevée dans les grossesses aneuploïdes. Le nombre de cellules fœtales est dynamique tout au long de la grossesse. De plus, un nombre plus élevé de cellules fœtales peut être obtenu en optimisant le moment du prélèvement et les méthodes d’enrichissement. De plus, le balayage automatique s’est avéré plus sensible et constant que le balayage manuel, ce qui permet de balayer un grand nombre de cellules et devient plus approprié pour une application clinique. Nous avons aussi montré la faisabilité d’utiliser des cellules fœtales dans le cadre du DPNI. Cinq cellules amniotiques microdisséquées, provenant de grossesses normales et aneuploïdes, ont suffi pour poser un diagnostic prénatal par une combinaison de l’amplification du génome complet et de la technique QF-PCR (réaction quantitative en fluorescence d’amplification entraînée par une polymérase) permettant la détection d’anomalies chromosomiques. Nos résultats ouvrent la voie à l’utilisation de cellules fœtales dans le sang maternel pour le DPNI.