Age-related macular degeneration (AMD; MIM, 603075) мультифакториальное нейродегенеративное заболевание с поздним началом, характеризующееся прогрессирующей дегенерацией фоторецепторов/ретинального пигментного эпителиального комплекса преимущественно в регионе пятна (macula) сетчатки, вызывающей необратимую потерю центрального зрения. AMD является главной причиной потери зрения у индивидов 50 лет и страше в развитых странах, затрагивающей почти 10% после 65 лет и затрагивающей более 25% после 75 лет [1]. Только в США более 8 миллионов имеют промежуточную AMD и почти 2 миллиона прогрессивную ст. AMD. Предполагается, что эти количества возрастут до 50% к 2020 [2].

Сетчатка человека подвергается изменениям как часть естественного хода старения, приводя к появлению офтальмоскопически видимого фокального желтого отложения из бесклеточного, полиморфного дебриса, наз. друзами между пигментным эпителием сетчатки и мембраной Bruch's. Друзы классифицированы как небольшие (менее 63 µm в диаметре с дискретными краями), средние (63-124 µm) или крупные (более 125 µm с нечёткими краями, Fig. 1a). Друзы являются характерными физическими проявлениями AMD, но индивиды только с друзами, особенно маленькими друзами вряд ли разовьют прогрессивную AMD, особенно в отсутствие др. аномалий глаз. Фокальное отслоение retinal pigment epithelium (RPE), новые кровеносные сосуды, растущие между мембраной Bruch's и сетчаткой, и атрофия наружной части сетчатки являются повреждениями, которые могут вызывать потерю центрального зрения при прогрессивной форме AMD, которая может включать или choroidal neovascularization (CNV, Fig. 1b-c) или отсутствие новых сосудов или geographic atrophy (GA, Fig. 1d). AMD пациенты обнаруживают широкий спектр клинических характеристик, исходя из размера друз и AMD пигментных аномалий, в виде гипопигментации или гиперпигментации. Age-Related Eye Disease Study (AREDS) разработало упрощенную шкалу степеней тяжести, чтобы определять категории риска развития прогрессивной формы AMD [3].

Figure 1. Fundus photographs at different stages of age-related macular degeneration (AMD) progression. (a) Large and intermediate drusen at intermediate stage of AMD. (b) Neovascular AMD-right eye with evidence of sub-retinal fluid, hemorrhage, and hard exudate in the presence of choroidal neovascularization. (c) Fluorescein angiography of the neovascular AMD-Left eye showing the hyperfluorescence of the fluorescein angiogram corresponding to the area of the choroidal neovascularization. (d) Central geographic atrophy-Right eye with evidence of geographic atrophy involving the center of the fovea with evidence of large drusen temporally.

Risk factors in AMD

AMD мультифакториальное заболевание, обычно вызываемое многими генетическими вариантами, каждый из которых оказывает скромный эффект на риск, а также влиянием не генетических и средовых факторов, таких как курение [4]. Продолжительные эпидемиологические исследования выявили ценную информацию о превалировании, охвату, естественной истории и ассоциированных факторах риска AMD [5, 6]. Крупные, мягкие друзы, ассоциированные с пигментными аномалиями AMD, оказались связанными с повышенным риском прогрессии в тяжелую AMD. Неоваскулярная AMD является более распространенной причиной слепоты, хотя она может быть объяснена меньшим процентом AMD, чем GA. Старение и курение, как было установлено, являются наиболее значимыми не генетическими факторами риска. Увеличение лет курения сигарет является непосредственно связанным с увеличением риска AMD, обычно риск удваивается по сравнению с некурящими [7]. Кроме того, факторы сердечно-сосудистых заболеваний, такие как повышенное кровяное давление и гиперлипидемия были неустойчиво связаны с риском AMD также. Повышение в сыворотке липидов (triglycerides) связано с увеличением промежуточной формы AMD в одной серии, тогда как в др. популяции не обнаружено ассоциации с липидами сыворотки [8, 9]. 10-летнее исследование, Multi-ethnic Study of Atherosclerosis (MESA) проверяло 4 расовые/этнические группы и сообщило о низкой распространенности AMD у темнокожих по сравнению с белыми, при этом общая распространенность варьировала от 2.4% у афроамериканцев, 4.2% у испанцев, 4.6% у китайцев по сравнению 5.4% у белых [6].

Генетический вклад в развитие AMD был установлен благодаря изучению агрегации в семьях, изучению близнецов и сегрегационному анализу (Klaver, #75; Meyers #76 [10]). ранние исследования сцепления в малых семьях идентифицировали множественные генетические локусы на хромосомах 1q25-31, 9p13, 9p24, 10q26, 15q21 и 17q25 [11-14] (see additional references, 1-3 in supplementary file). Genome-wide association studies (GWAS) и исследование ассоциации кандидатов внесли дальнейший вклад в идентификацию локусов риска AMD и причастных генов -CFH [15-19], C3 [20, 21], C2-CFB [22], CFI [23], регион хромосомы 10 с HTRA1/LOC387715/ARMS2 [24-26], CETP [27], TIMP3 [27], LIPC [28], VEGFA [29], COL10A1 [29], TNFRSF10A [30] и APOE [31-33] с AMD (Table 1).

Table 1. Summary of age-related macular degeneration AMD associated genes/loci as of April 2013a
DNA marker        Nearby gene(s)        Genetic method        Pathway        Validation status

rs1800553, rs1800555        ABCA4        Candidate gene        Clearance of all-trans-retinal aldehyde from photoreceptors        Confirmed
rs6795735        ADAMTS9        Meta-analysis        Unknown        Tentative
rs429358, rs7412        APOE        Candidate gene/GWAS        Transport and metabolism of lipoproteins        Confirmed
rs10490924 (ARMS2), rs11200638 (HTRA1)        ARMS2/HTRA1        Linkage/GWAS        Unknown        Confirmed
rs9542236        B3GALTL        Meta-analysis        Unknown        Tentative
rs9332739 (C2), rs4151667 (CFB)        C2/CFB        Candidate gene/GWAS        Complement pathway        Confirmed
rs2230199        C3        Candidate gene/GWAS        Complement pathway        Confirmed
rs3764261        CETP        GWAS        Transport and metabolism of lipoproteins        Confirmed
rs1061170, rs10737680        CFH        Linkage/GWAS/candidate gene        Complement pathway        Confirmed
84?K?bp deletion        CFHR1/CFHR3        Candidate gene        Possibly complement pathway        Tentative
rs2285714        CFI        Candidate gene/GWAS        Complement pathway        Confirmed
rs13095226, rs13081855        COL8A1/FILIP1L        GWAS        Extracellular/collagen matrix pathway        Confirmed
Missense variants        FBLN5        Candidate gene        Extracellular matrix pathway        Confirmed
rs1999930, rs3812111        FRK/COL10A1        GWAS        Extracellular/collagen matrix pathway        Confirmed
rs3130783        IER3-DDR1        Meta-analysis        Unknown        Tentative
rs493258, rs10468017, rs920915        LIPC        GWAS        Transport and metabolism of lipoproteins        Confirmed
rs8017304        RAD51B        Meta-analysis        Unknown        Tentative
rs1713985        REST-C4orf14-POLR2B-IGFBP7        GWAS        Unknown        Tentative
rs8135665        SLC16A8        Meta-analysis        Unknown        Tentative
rs334353        TGFBR1        Meta-analysis        Angiogenesis        Tentative
rs9621532, rs5749482        TIMP3        GWAS        Degradation of the extracellular matrix        Confirmed
rs13278062        TNFRSF10A        GWAS        Unknown        Confirmed
rs2071277        TNXB-FKBPL-NOTCH4        GWAS        Notch-signaling pathways        Tentative
rs4711751, rs943080        VEGFA        Candidate gene/GWAS        Angiogenesis        Confirmed
 
 GWAS, genome-wide association analysis.
a
Confirmed, when identified in two or more studies; Tentative, when reported in only one study and pending independent replication(s)

Current status of AMD genetics

AMD остается одним из наиболее охарактеризованных сложных признаков с множественными идентифицированными локусами, подчеркивающими существенную наследственность. В попытке идентифицировать дополнительные локусы с малыми эффектами на риск, которые могли бы быть пропущены при GWAS из-за размера выборки и поправки на множественные тесты, данные комбинированного анализа от нескольких GWAS исследований (meta-analysis) возникли как важная следующая ступень для объяснения неучтенной наследственности. Недавно международные совместные усилия по мета-анализу AMD-GWAS из 18 центров с использованием более 17,000 AMD случаев и 60,000 соотв. контролей Европейских и Азиатских родословных, выявили 19 AMD локусов, включая 7 новых вблизи генов COL8A1/FILIP1L, IER3/DDR1, SLC16A8, TGFBR1, RAD51B, ADAMTS9 и B3GALTL [34].

Идентификация множественных генетических локусов, имеющих отношение к некоторым важным биологическим путям, таким как: путь complement, cholesterol и путь липидного метаболизма, путь внеклеточного/коллагенового матрикса, путь оксидативных стрессов и путь передачи сигналов ангиогенеза в патогенезе AMD [35-37], предоставляет возможности для понимания механизма болезни (Table 1). Однако, ассоциированные варианты могут не быть причинами и дальнейшее выявление локусов чувствительности гарантирует идентификацию лежащих в основе болезни вариантов. Важно, чтобы функциональная характеристика генов в ассоциированных локусах была осуществлена, чтобы получить информацию о биологическом значении для AMD, чтобы полностью понять патогенез болезни AMD.

AMD disease management and therapy

При ограниченном выборе доступного лечения, предупреждение развития и замедление прогрессирования болезни, чтобы минимизировать потерю оставшегося зрения является приоритетным при AMD. AREDS было установлено, что антиоксидантный витамин и минеральные добавки (AREDS formulation) , состоящие из β-carotene (15 mg), vitamins C (500 mg) и E (400 IU), и цинка (в качестве оксида цинка 80 mg), вместе с медью (в качестве оксида меди 2 mg) замедляют прогрессирование AMD у индивидов с высоким риском развития тяжелой формы AMD [38]. Недавний анализ продемонстрировал, что благоприятные эффекты ограничены в основном предупреждением прогрессии неоваскулярной AMD [39]. Базируясь на наблюдениях от AREDS [40, 41] и др. исследованиях (see additional references, 4-10 in supplementary file), AREDS 2, рандомизированное контрролируемое клиническое испытание было организовано, чтобы оценить, будет ли добавление lutein (10 mg)/zeaxanthin (2 mg) и/или omega-3 длинной цепи полиненасыщенных жирных кислот, docosahexaenoic кислоты (DHA-350 mg) и его предшественника, eicosapentaenoic кислоты (EPA-650 mg) влиять на скорость прогрессии к тяжелым формам AMD [42]. Дополнительная рандомизация включала оценку элиминации beta-carotene и снижения дозы цинка в оригинальной формулировке AREDS . Результаты AREDS2 показали, что добавление omega-3 жирных кислот к AREDS добавкам оказалось не вредным, ни полезным [43]. Добавление lutein/zeaxanthin к формулировке AREDS приводило к дополнительному благоприятному эффекту приблизительно в 20% помимо эффектов AREDS в отношении снижения риска прогрессии к тяжелым формам AMD. Более того, beta-carotene оказался ассоциированным с повышенным риском рака лёгких, особенно у бывших курильщиков. И при AREDS и AREDS2, 50% лиц с AMD были бывшими курильщиками. Рекомендации на базе AREDS2включают устранение beta-carotene, с заменой его lutein/zeaxanthin в редакции AREDS.

Противо-сосудистая терапия endothelial growth factor (VEGF) наиболее эффективна и широко используемая при неоваскулярной AMD. VEGF секретируется специфичным для эндотелия митогеном, который действует как ключевой регулятор ангиогенеза и сосудистой проницаемости. Многочисленные исследования выявили воспаление в качестве важного игрока в патогенезе AMD [44] а высокая экспрессия VEGF была распознана как важный фактор, способствующий образованию новых сосудов при влажной AMD [45] (see additional references, 11-13 in supplementary file). Современные подходы по ингибированию VEGF используют разработанные humanized моноклональные антитела, bevacizumab (Avastin®; Genentech, Inc, South San Francisco, CA) и его производное ranibizumab (Lucentis®; Genentech, Inc), которые нейтрализуют все активные формы VEGF и тем самым ограничивают влияние VEGF на повышенную проницаемость сосудов и, по-видимому, на ангиогенез. Более новая анти-VEGF терапия включает aflibercept (VEGF Trap-eye; Regeneron Pharmaceuticals, Tarrytown, NY; Bayer Plc), который является рекомбинантным слитым белком человека, действующим как растворимый рецептор ловушка для семейства VEGF. Использование этих вводимых с стекловидное тело лекарств революционизировало лечение неоваскулярной AMD, но не все участники отвечают на такую intravitreal анти-VEGF терапию с 40% сохранением зрения. Дальнейшие исследования всё ещё необходимы как для увеличения эффективности у всех пациентов и улучшения системы доставки лекарства, чтобы снизить ношу частых внутриглазных инъекций. Сегодня это лечение очень дорогое. Потеря зрения наблюдается также и вследствие анти-VEGF терапии, это может быть вторичным по отношению к GA. Нет эффективного лечения для GA.

Implication of genetic finding on AMD risk prediction and progression

Правильное предсказание генетической предрасположенности и прогрессии обещает потенциальные превентивные меры у пациентов с AMD. Исследования GWAS привели к ряду исследований эффектов генетических вариантов на предсказания генетического риска или прогрессирование болезни. Поскольку симптомы болезни при AMD не появляются вплоть до 6-го десятка жизни пациентов, то раннее выявление индивидов с риском может позволить только раннее вмешательство и дополнительные мотивы у пациентов, включая прекращение курения и увеличение приема с пищей рыбы и растений, которые содержат lutein и zeaxanthin. Фактически, в Rotterdam Study, диеты с высокими антиоксидантными свойствами снижали риск развития ранней AMD у лиц с высоким генетическим риском развития AMD [46].

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти эффективные превентивные режимы и txtybt. Во многих исследованиях оценивали роль генетических вариантов на риск и прогрессирование AMD, особенно для генов CFH и ARMS2, двух основных генов чувствительности для AMD. CFH Y402H гетерозиготный аллель вызывает 4.6-кратное увеличение риска AMD, а гомозиготы 7.4-кратное увеличение риска [17]. Индивиды, гетерозиготные по ARMS2 A69S аллелю вызывает ~2.7-кратное увеличение риска AMD по сравнению с гомозиготами по аллелю дикого типа, тогда как 8.2-кратное увеличение риска связано с гомозиготами по аллею риска [25]. Аддитивный эффект CFH Y402H и LOC387715 A69S обнаруживает 50-кратное увеличение риска AMD у субъектов, гомозиготных по обеим аллелям риска [47].

AMD, скорее всего, проявляется в нескольких разных условиях. Фенотипирование AMD всё улучшается с усовершенствованием технологии как выявления, так и измерения функции сетчатки. Генотипирование также ведет к улучшению фенотипировния в будущем. Некоторые современные генетические ассоциации с разными повреждениями и подтипами суммированы в дополнительном материале.

CFH и ARMS2 представляют довольно уникальный пример сложных признаков, т.к. эти два локуса чувствительности каждый в отдельности вносят существенный вклад в наследуемость AMD. Это ведет к случайному успеху в предсказании риска и прогрессирования в немногих исследованиях. Однако эти подходы лишены чувствительности и специфичности у большинства индивидов, имеющих средний уровень риска AMD и поэтому обладающих низким диагностическим значением [35, 48]. Более того, существуют множественные дополнительные гены с небольшими размерами эффектов на чувствительность к AMD. Т.о., тестирование генетического риска с использованием вариантов одного гена чувствительности обладает низкой предсказательной силой. Подсчет риска, базирующийся на комбинации всех аллелей риска, по-видимому, более подходящий, но требует устойчивой оценки риска для каждого из локусов. Кроме того, понимание взаимодействия с не генетическими внешнесредовыми факторами, такими как курение и диета, а также клинического состояния сетчатки, важно для точного предсказания риска. Некоторые недавние исследования попытались исследовать комбинации лишь множественных генетических вариантов [49] или вместе с не генетическими факторами риска при модельном прогнозировании [10] (see additional references,14-15 in supplementary file). Эти модели нуждаются в дальнейшей оценке в долговременных проспективных исследованиях риска и в популяциях молодых. Всестороннее понимание генетической архитектуры AMD желательно для реализации настоящего потенциала предсказания генетического риска.

Pharmacogenomics and biomarker discovery

Тестирование генетических вариантов у пациентов в ответ на лекарственную терапию как в отношении эффективности, так и побочных реакций обозначается как фармакогеномика. Анти-VEGF терапия являются эффективной, но нуждается в повторных внутриглазных инъекциях и угрожает побочными эффектами при длительном применении систематических уколов [50]. Сравнение испытаний AMD лечения (CATT) не выявило клинически важных отличий между ranibizumab и bevacizumab [51, 52]. Однако оно позволило предположить, что существует индивидуальная изменчивость реакции на лечение. Эти вариации часто приписываются генетической изменчивости, это привело к немногим ограниченным фармакогенетическим тестам пациентов с AMD, используя одиночный маркер или несколько генетических маркеров (CFH, ARMS2 и VEGFA) [53-55]. Варианты CFH и ARMS2 также были исследованы, чтобы предсказать реакцию на лечение на AREDS-типа пищевые добавки с антиоксидантами и цинком у участников AREDS испытаний [56]. Исследователи сообщили о потенциальной фармакогенетическом взаимодействии a (p=0.03) между CFH Y402H генотипом и добавками антиоксидантов и цинка. Из-за ограниченного успеха немногих фармакогенетических исследований с CFH и ARMS2 вариантами, должны были бы проведены проспективные рандомизированные, контрольные испытания для подтверждения этих ассоциаций. Более того, метаболизм лекарств и вариации в реакции на лекарства могут быть результатом взаимодействия нескольких генов и множественных полиморфизмов. Поэтому тестирование ассоциаций немногих маркеров само по себе бесполезно для клинической практики.

Генетические и патофизиологические данные по AMD предоставляют неотразимые доказательства вовлечения воспаления, комплимента и высокой плотности липопротеинов (HDL) пути холестерина в патогенезе AMD. Некоторые исследования идентифицировали ассоциации с маркерами сывороточных белков, такими как C-реактивный белок, факторы комплемента, циркулирующий VEGF, антитела против сетчатки, липидные уровни и carboxyethylpyrrole (CEP) антитела в качестве биомаркеров AMD. Однако отсутствуют четкие доказательства для любого из сывороточных маркеров как надежного предсказателя развития или прогрессирования AMD [57].

Future of genetic medicine in AMD

Геномные находки при AMD обнаруживают потенциальное значение для генотерапии пациентов с AMD, но необходимо более исчерпывающее понимание генетической архитектуры болезни. GWAS предоставляет базовый остов для идентификации главных распространенных вариантов генов чувствительности. Дальнейшие успехи нуждаются в идентификации дополнительных генов и путей с небольшим или сильным влиянием на риск возникновения AMD. Идентификация вариантов чувствительности среди разных суб-фенотипов AMD также важно, но неполностью оценено из-за малых размеров выборок или отсутствия детального описания фенотипов и клинических данных. Будущий крупномасштабный мета-анализ необходим, чтобы использовать эти ответственные факторы для идентификации подтипов специфических генетических локусов.

Хотя GWASs играют критическую роль в идентификации широко распространенных вариантов риска, но они неспособны объяснить полностью генетическую наследственность сложных болезней [58]. Отсутствие наследуемости приписывается многим факторам, включая дополнительные широко распространенные варианты с малым эффектом на риск, структурные варианты или варианты числа копий, эпигенетические модификации и редкие варианты [58]. Недавний успех технологии next-generation sequencing (NGS) позволил систематическую идентификацию редких аллелей по всему экзому, геному и при прицельном ре-секвенировании при разумных затратах [59, 60]. NGS был успешно использован для идентификаций генов болезни с Менделевским наследованием [61] и постепенно исследователи обращают свое внимание на понимание степени, с которой редкие генетические варианты поддерживают наследуемость сложных признаков [62, 63] (see additional references,16-20 in supplementary file). Недавнее секвенирование региона в 106.7-kb вокруг гена CFH выявило редкий пенетрантный вариант, R1210C у пациентов с AMD [64]. Др. функциональный аллель, G119R, как было установлено, в CFI обеспечивает высокий риск AMD [65]. Поскольку эти варианты редки, они, скорее всего, присутствуют лишь у части пациентов и иногда они ограничены географическим распределением. Такие исследования необходимы на больших выборках, чтобы достичь статистической значимости для детекции ассоциаций редких вариантов, и при тщательно подобранных группах контроля [66]. Анализ крайних фенотипов, а также семей со многими затронутыми членами, может послужить подходящей альтернативой в отсутствие крупных размеров выборок для идентификации AMD, ассоциированных с редкими вариантами и кандидатами. Во многих примерах, гены, идентифицированные при наследственных формах макулярных дистрофий, такие как TIMP3 [67], ABCA4 [68] были также ассоциированы с AMD [27, 69]. Т.о., проведение экзомного или геномного секвенирования в семьях с макулярными дистрофиями и в семьях с редкими примерами AMD может помочь идентификацию новых генов кандидатов для макулярной дегенерации.

Генотипирование редких вариантов, выявленных при предыдущих секвенированиях с использованием традиционных chips для генотипирования представляет экономичную и быструю альтернативу для тестирования обычной гипотезы редких вариантов болезни [58, 62]. Массивная каталогизация редких вариантов по 1000 геномов [70] и NHLBI проект экзомного секвенирования были осуществлены в последние годы [71]. Это продвинуло разработку второй генерации генотипируемых массивов для тестирования ассоциаций редких вариантов в сложных признаках, известной как exome-chip [66]. Этот подход имеет ограничения, он не идентифицирует новые варианты, но, тем не менее, представляю собой экономичную платформу для тестирования ассоциаций редких вариантов.

Advances in the NGS technology and rapidly declining cost of sequencing promise an exponential phase for discovery of rare/common variants in AMD that can play prominent role in future genetic medicine. Development of technical infrastructure, such as data representation, storage and incorporation into electronic medical records as well as standardized guideline for NGS protocols for data analysis is a critical aspect of clinical genomics. Ethical issues related to ownership and privacy of genomic data and handling information of incidental or secondary findings needs consideration in personal genomics as well. However, major challenge lies in understanding the functional significance of the variants, their relationship with each other and to epigenetic and environmental contributions. This will be important for planning any future therapeutic interventions or risk predictions in AMD patients. The practical therapeutic approach for complex disease like AMD is likely to combine multiple factors, involving combination of diet, lifestyle and improved pharmacologic interventions based on wealth of genetic information.

Age-related macular degeneration—clinical review and genetics update R Ratnapriya, E Y Chew Clinical Genetics Volume 84, Issue 2, pages 160–166, August 2013

Age-related macular degeneration—clinical review and genetics update
R Ratnapriya, E Y Chew
Clinical Genetics Volume 84, Issue 2, pages 160–166, August 2013