An Appeal for Ultrasound and Current Guidelines

Without doubt, the importance of ultrasound has increased in many areas in recent years. On the one hand, ultrasound examination as a simple procedure without risk has become an essential part of the clinical routine. Thus, for example, the emergent area of focused ultrasound with a clearly definable target issue is becoming increasingly important for basic diagnosis. On the other hand, highly detailed differential diagnoses can be made in all application areas, particularly in prenatal diagnosis. Consequently, it is important to adapt continuing training guidelines, create uniform recommendations, and update these on an ongoing basis. Therefore, guidelines for interventional ultrasound, an update of rare gastrointestinal diseases, and recommendations for the use of noninvasive prenatal testing (NIPT) as a screening method for fetal chromosomal abnormalities in clinical practice are a main focus of this edition.

NIPT, in particular, which was made possible by the discovery of cell-free DNA in maternal blood in 1997 and the subsequent development of high throughput sequencing methods, has kept patients, physicians, labs, and medical societies on their toes – hardly another prenatal examination has been included in clinical care so quickly after its development.

Although current numbers are largely based on data of commercial providers and the outcome of large series is not available in the majority of cases, the value of NIPT is undisputed and allows the identification of trisomy 21 with a sensitivity of over 99 % (lower for trisomies 13 and 18). As a result, NIPT seems superior to other risk screening methods, such as first trimester screening, and has already resulted in a significant reduction of invasive interventions and thus intervention-related miscarriages.

However, given all the enthusiasm, there is a risk of overestimating the diagnostic significance of the test. Contrary to the promises of an increase in performance due to technology improvements, NIPT will never be diagnostic in its current form since the fetal DNA is of a placental origin and thus the occurrence of mosaicism that can result in false-positive or false-negative findings is biologically determined. Particularly in the case of the often advertized examination of sex chromosomes, in particular the X-chromosome, this phenomenon leads to a low positive predictive value (PPV) of a pathological result. This is also true for the detection of microdeletions, which is associated with a low PPV and a high false-positive rate due to the structure of our genome, thus repeatedly resulting in false-positive findings with this method and consequently in additional invasive procedures.

The public interest in NIPT and the uncontrolled market of supply and demand have quickly also shown the negative effects of overenthusiasm, such as premature reassurance of a pregnant woman, for example when a normal NIPT at 10 – 11 gestational weeks is followed by ultrasound findings of an increased nuchal translucency at 13 – 14 gestational weeks or findings of a heart defect. In addition, there is a risk of a false sense of security and testing in a less differentiated manner following a normal NIPT. A lack of coordination with late diagnoses and incomplete knowledge and education of pregnant women regarding test performance can also create new problems. An experienced examiner typically diagnoses trisomy 18 and 13 on ultrasound in the 11th-14th gestational week and the detection rate of experts for these two chromosomal abnormalities should be significantly higher than after NIPT. If a high risk for these trisomies is determined after first trimester screening, a differentiated ultrasound control possibly with subsequent rapid karyotyping would provide results faster than NIPT, save time and costs for NIPT, and decrease the period of uncertainty for pregnant women. Therefore, there is a certain risk that patient care will not improve in particular if prenatal diagnosis only concentrates on the three most common trisomies.

Since this test is not diagnostic, the significance of marker screening after a normal NIPT such as measurement of the fetal nasal bone and the ratio of the prenasal skin thickness to the nasal bone length in the first and second trimester as addressed in two studies in this edition must be determined. On the one hand, case studies show that rare undetected fetuses with trisomy 21 or mosaic findings were first identified by this approach. On the other hand, there is a lack of studies showing that the continued use of marker screening does not result in an increase of the false-positive rate.

A basic principle of screening in pregnancy is the multi-stage concept or the option of reference to a reference center. The idea is to refer pregnancies with a particularly high risk to centers for a second opinion. Presumably this concept significantly contributed to the improvement of the early diagnosis of fetal malformations.

In Switzerland, these developments have been taken into account and the reimbursement of costs for NIPT by the obligatory health insurance under certain conditions has been regulated by the Federal Office of Public Health (FOPH) after consultation with experts. The test is restricted to the three most common trisomies and a prior ultrasound scan is required. In the case of a high nuchal translucency, growth restriction, or fetal malformations, NIPT per se as a screening test is not indicated since other causes than the three most common trisomies must be considered.

Particularly in pregnancies with fetal anomalies, the etiology is often not clear at the time of diagnosis, but the determination of an isolated or syndromal genesis is decisive for prognosis assessment and the question regarding continuation of the pregnancy. The use of genomic microarrays after invasive diagnostic methods that allow high-resolution chromosome testing has brought a significant advance in diagnostics. In approximately 10 – 15 % of cases chromosomal abnormalities including microdeletions and duplications are currently found to be causal. This means, however, that approximately 80 % of all fetal abnormalities have other causes.

In contrast to previous views that malformations and their combinations are an "accidental occurrence", research results – not least in animal models – show increasingly more clearly that organ development is controlled by genes that are essentially and possibly partly also exclusively expressed in the embryonic and fetal stage and play a role in fundamental cell functions. However, prenatal genetic testing can only be performed when a defined disease is clinically suspected. Even in this case a molecular-genetic test is often difficult not just for time reasons but also because many diseases are genetically heterogeneous, i. e. caused by different genes. High throughput sequencing has led to the establishment of gene panels that will certainly play an increasingly important role prenatally in the future with greater experience. However, prenatal classification of a disease is often not even possible for various reasons – be it as a result of our inability to allocate a prenatal phenotype to a disease only known from its postnatal phenotype or because there is a specific prenatal phenotype which is currently unknown. The documentation and characterization of prenatal phenotypes using current ultrasound performance urgently needs to be improved.

Postnatal phenotyping of developmental disorders in infancy in combination with new technologies of whole exome and whole genome sequencing has made a significant contribution to the identification of new disease genes and thus to the characterization of many clinical syndromes in recent years.] To date, only minimal attention has been paid to the use of new sequencing strategies for gene identification of pre- and perinatal malformation syndromes despite their prevalence and their importance in obstetric and neonatal medicine.

In a current project we are using high throughput sequencing of protein-coded genomic regions (whole exome sequencing) to identify genes in a causal relationship with fetal or neonatal multiple malformations of an unclear cause. The goal of this study is to describe previously unknown fetal and perinatal phenotypes and to identify mutations in genes resulting in recessive congenital fatal diseases since these are associated with a high risk of recurrence of 25 %. We are therefore recruiting and examining families in which a clinically comparable malformation pattern occurred and was confirmed by autopsy in at least two pregnancies (at least one female). An important aspect of this project is subsequent genotype-phenotype studies in which we will establish correlations between candidate genes and their function with signal pathways in human development and already described phenotypes in animal models to prove a causal relationship. 

An example of this is the recurrence of a similar malformation pattern in two consecutive pregnancies diagnosed in the second trimester. The malformation pattern could not be clearly clinically categorized in the first pregnancy. After termination of the second pregnancy with early intrauterine growth restriction brain and ureterogenital malformations, ciliopathy caused by mutations in a previously unknown disease-associated gene was confirmed after whole exome sequencing.

Therefore, the development and use of genomic technologies as well as "next generation" phenotyping will be necessary in the future to obtain answers regarding the causes of developmental disorders. Only this will improve the counseling of many families in the future. NIPT has revolutionized screening approaches - now it is time to pay proper attention to our highly differentiated ultrasound findings.

Ohne Zweifel hat in den vergangenen Jahren die Bedeutung des Ultraschalls auf vielen Gebieten zugenommen. Einerseits ist die Ultraschalluntersuchung in der Routine als einfache Untersuchung ohne Risiken im klinischen Alltag unumgänglich geworden. So gewinnt z. B. das aufstrebende Gebiet der fokussierten Sonografie mit einer klar abgrenzbaren Fragestellung in der Basisdiagnostik zunehmend an Bedeutung. Andererseits können in allen Anwendungsbereichen in hohem Maße detailliertere Differenzialdiagnosen gestellt werden, insbesondere auch in der Pränataldiagnostik. Um beiden Ansprüchen Rechnung zu tragen, ist es wichtig die Weiterbildungsrichtlinien anzupassen, aber auch einheitliche Empfehlungen zu erstellen und diese fortlaufend zu aktualisieren. Ein Schwerpunkt dieser Ausgabe sind daher auch die Guidelines zur interventionellen Sonografie, ein Update seltener gastrointestinaler Erkrankungen und Empfehlungen zum Einsatz der nicht invasiven pränatalen Tests (NIPT) als Screeningmethode für fetale Chromosomenstörungen in der klinischen Praxis.

Vor allem der NIPT, der durch die Entdeckung zellfreier DNA in mütterlichem Blut 1997 und die folgende technologische Entwicklung der Hochdurchsatzsequenzierungsverfahren möglich wurde, hält Patienten, betreuende Ärzte, Labors, medizinische Fachgesellschaften in Atem – wohl kaum eine andere pränatale Untersuchung ist kurz nach ihrer Entwicklung so schnell in die klinische Versorgung mit aufgenommen worden.

Obwohl aktuelle Zahlen überwiegend auf Daten kommerzieller Anbieter beruhen und in den großen Serien das Outcome mehrheitlich nicht vorliegt, ist der Wert des NIPT wohl unbestritten, der mit einer Sensitivität von über 99 % die Entdeckung einer Trisomie 21 ermöglicht (niedriger für die anderen häufigen Trisomien 13 und 18). Damit scheint der NIPT anderen Risikoscreenings wie dem Ersttrimestertest (ETT) überlegen und hat schon jetzt zu einer deutlichen Senkung der invasiven Eingriffe und damit der eingriffsbedingten Fehlgeburten.

Bei allem Enthusiasmus liegt jedoch eine Gefahr in der Überschätzung der Aussagekraft des Tests. Entgegen der Versprechungen einer Performanceerhöhung durch Technologieverbesserungen wird der NIPT in seiner heutigen Form nie diagnostisch sein, da die sogenannte fetale DNA plazentaren Ursprungs ist, und damit das Vorkommen von Mosaikbefunden, die zu falsch positiven oder negativen Befunden führen können, biologisch determiniert ist. Gerade bei der oft angepriesenen Untersuchung der Geschlechtschromosomen, insbesondere des X-Chromosoms, führt dieses Phänomen zu einem niedrig positiv prädiktivem Wert (PPV) eines auffälligen Ergebnisses. Dies gilt auch für die Detektion von Mikrodeletionen, die mit niedrigem PPV ebenso wie einer hohen falsch positiven Rate einhergeht, wohl auch aufgrund der Struktur unseres Genoms, was in diesem Verfahren immer wieder zu falsch positiven Befunden und damit doch noch zu weiteren Punktionen führt.

Das öffentliche Interesse am NIPT sowie ein unkontrollierter Markt von Angebot und Nachfrage haben schnell auch die negativen Auswirkungen der allzu großen Begeisterung gezeigt, wie eine vorschnelle Beruhigung der Schwangeren, wenn z. B. nach unauffälligem NIPT mit 10 – 11 SSW der Ultraschall doch eine erhöhte Nackentransparenz mit 13 – 14 SSW zeigt oder ein Herzfehler festgestellt wird. Zudem besteht die Gefahr, dass man sich nach unauffälligem NIPT in falscher Sicherheit wiegt und weniger differenziert sucht. Auch mangelnde Organisation mit späten Diagnosen und lückenhafte Kenntnis und Aufklärung der Schwangeren zur Testperformance können neue Probleme schaffen. Ein erfahrener Untersucher wird z. B. die Trisomie 18 und 13i. d. R. im Ultraschall mit 11 – 14 SSW diagnostizieren, und die Detektionsrate von Experten für diese beiden Chromosomenstörungen dürfte deutlich höher sein als nach einem NIPT. Zeigt sich für diese Trisomien ein hohes Risiko nach ETT, wäre statt einem NIPT eine differenzierte Ultraschallkontrolle mit ggf. anschließender rascher Karyotypisierung schneller zielführend, spart Zeit sowie die Kosten für den NIPT und reduziert die Phase der Ungewissheit für die Schwangere. Es besteht daher ein gewisses Risiko, dass sich die Patientenversorgung nicht nur verbessert, insbesondere wenn die pränatale Diagnostik sich nur auf die drei häufigsten Trisomien konzentriert.

Da es sich nicht um einen diagnostischen Test handelt, stellt sich ferner auch nach unauffälligem NIPT die Frage nach der Bedeutung des Markerscreenings wie z. B. die Messung des fetalen Nasenbeins und der Ratio der pränasalen Hautdicke zur Nasenbeinlänge im 1. und 2. Trimenon, die in zwei Arbeiten dieser Ausgabe behandelt werden. Einerseits zeigen Fallberichte, dass z. B. seltene verpasste Feten mit Trisomie 21 oder Mosaikbefunde hierdurch erst entdeckt wurden. Andererseits fehlen Studien, die zeigen, dass es nicht zu einer erneuten Erhöhung der Falsch-positiv-Rate kommt, wenn das Markerscreening weiterhin Anwendung findet. Hierzu bedarf es neuerer Studien.

Ein Grundprinzip des Screenings in der Schwangerschaft liegt im sog. Mehrstufenkonzept bzw. in der Option einer Vorstellung im Referenzzentrum. Die Idee dahinter ist, Schwangerschaften mit besonders hohem Risiko in Zentren zur Zweitmeinung vorzustellen. Es ist anzunehmen, dass dies im Gefolge des Ersttrimestertests (ETT) zu einer deutlichen Verbesserung der frühen Fehlbildungsdiagnostik beigetragen hat.

In der Schweiz wurde diesen Entwicklungen nun Rechnung getragen und vom Bundesamt für Gesundheit (BAG) nach Anhörung der Fachexperten die Kostenübernahme für den NIPT durch die gesetzliche Krankenversicherung unter bestimmten Bedingungen geregelt. Neben der Beschränkung auf die drei häufigen Trisomien wurde hier das Augenmerk vor allem auf einen vorgängigen Ersttrimesterultraschall gelegt. Bei hoher Nackentransparenz, Wachstumsretardierung oder fetalen Fehlbildungen ist ein NIPT per se als Screeningtest nicht indiziert, da andere Ursachen als die drei häufigen Trisomien in Betracht kommen.

Gerade in Schwangerschaften mit fetalen Anomalien ist zum Zeitpunkt der Diagnose die Ätiologie oft nicht eindeutig, die Einordnung in isolierte oder syndromale Genese aber entscheidend für die Prognoseeinschätzung bzw. Frage der Fortführung der Schwangerschaft. Der Einsatz von genomischen Microarrays nach invasiver Diagnostik, die eine hochauflösende Chromosomenuntersuchung ermöglichen, hat hier einen entscheidenden Fortschritt in der Diagnostik gebracht. In etwa 10 – 15 % können heute Chromosomenstörungen einschließlich Mikrodeletionen und -duplikationen als ursächlich diagnostiziert werden. Damit haben allerdings aber auch etwa 80 % aller fetalen Auffälligkeiten in der Fehlbildungsdiagnostik andere Ursachen!

Entgegen bisherigen Annahmen, dass Fehlbildungen und deren Kombination ein „zufälliges Ereignis“ sind, zeigen Forschungsergebnisse – nicht zuletzt an Tiermodellen – immer deutlicher, dass die Organentwicklung durch Gene gesteuert wird, die essenziell und möglicherweise zum Teil auch exklusiv in der Embryonal- und Fetalperiode exprimiert werden und in grundlegenden Zellfunktionen eine Rolle spielen. Pränatal kann bei Patientinnen jedoch eine genetische Untersuchung einzelner Erbanlagen nur dann erfolgen, wenn klinisch eine definierte Erkrankung vermutet wird. Auch dann ist eine molekulargetische Untersuchung oft schwierig, nicht nur aus Zeitgründen, sondern auch weil viele Erkrankungen genetisch heterogen, also von unterschiedlichen Genen, verursacht werden. Die Hochdurchsatzsequenzierung hat hier inzwischen zur Etablierung von Genpanels geführt, die vereinzelt aber bei in Zukunft mehr Erfahrung sicher auch pränatal eine bedeutendere Rolle spielen werden. Aus verschiedenen Gründen ist pränatal jedoch eine Zuordnung der Erkrankung häufig gar nicht möglich – sei es durch unser Unvermögen, den pränatalen Phänotypen einer uns meist klinisch nur postnatal bekannten Erkrankung zuzuordnen, sei es, weil der Phänotyp pränatal möglicherweise spezifisch und uns daher bisher unbekannt ist. Auch hier kann und muss die heutige Ultraschallperformance noch viel besser zur Dokumentation und Charakterisierung pränataler Phänotypen genutzt werden.

Postnatal hat in den letzten Jahren die Phänotypisierung von kindlichen Entwicklungsstörungen in Kombination mit den neuen Sequenziertechnologien der Whole-exome- und Whole-genome-Sequenzierung bedeutend zur Identifizierung neuer Krankheitsgene geführt und dadurch die Charakterisierung vieler klinischer Syndrome ermöglicht. Nur wenig Aufmerksamkeit wurde bisher der Verwendung der neuen Sequenzierstrategien zur Genidentifizierung prä- und perinataler Fehlbildungssyndrome geschenkt, trotz ihrer Prävalenz und ihrer Bedeutung in der Schwangerschafts- und Neonatalmedizin.

In einem aktuellen Projekt werden wir die Hochdurchsatzsequenzierung der proteincodierenden genomischen Regionen (whole exome sequencing) zur Identifizierung von Genen verwenden, die in ursächlichem Zusammenhang mit fetalen oder neonatalen multiplen Fehlbildungen ungeklärter Ursache stehen. Es ist das Ziel dieser Studie bisher nicht erkannte fetale und perinatale Phänotypen zu beschreiben und Mutationen in Genen, die zu rezessiv erblichen letalen Erkrankungen führen, zu identifizieren, da diese mit einem hohen Wiederholungsrisiko von 25 % einhergehen. Wir rekrutieren und untersuchen daher Familien, in denen in mindestens zwei Schwangerschaften (wenigstens ein weibliches Kind) ein klinisch vergleichbares Fehlbildungsmuster aufgetreten und mittels Autopsie bestätigt ist. Ein bedeutender Aspekt in diesem Projekt kommt den anschließenden Genotyp-Phänotyp-Studien zu, in denen wir Korrelationen zwischen den Kandidatengenen und deren Funktion mit Signalwegen in der menschlichen Entwicklung sowie bereits beschriebenen Phänotypen in Tiermodellen herstellen, um einen kausalen Zusammenhang nachzuweisen.

Als Beispiel hierfür ist ein Wiederholungsfall bei einer Schwangeren mit zwei hintereinander folgenden Schwangerschaften mit ähnlicher Fehlbildungskombination im 2. Trimenon zu nennen. Das Fehlbildungsmuster war in der ersten Schwangerschaft klinisch nicht klar einzuordnen. Erst nach Beendigung der 2. Schwangerschaft mit früher intrauteriner Wachchstumsretardierung, Hirn- und ureterogenitalen Fehlbildungen wurde nach einer Whole-exome-Sequenzierung eine Ziliopathie, verursacht durch Mutationen in einem bisher nicht bekannt krankheitsassoziierten Gen, bestätigt.

In Zukunft wird daher die Entwicklung und Anwendung genomischer Techologien aber auch eine „Next-generation“-Phänotypisierung notwendig sein, um Antworten auf die Ursachen von Entwicklungsstörungen zu erhalten. Nur dies wird ermöglichen viele Familien auch in Zukunft besser als zuvor zu beraten. Der NIPT hat Screeningansätze revolutioniert – es ist jedoch an der Zeit unseren hochdifferenzierten Ultraschallbefunden auch weiterhin eine angemessene Aufmerksamkeit zu schenken.