الحمى التيفية typhoid

الحمى التيفية typhoid مرض خمجي حاد يتظاهر على شكل حالة انسمامية عامة تشمل الحمى والصداع والضعف العام والشعور بالإنهاك، إضافة إلى بعض الأعراض الهضمية كألم البطن والغثيان وأحياناً الإقياء، كما قد يترافق غالباً بالإمساك. 

العامل المسبب للحمى التيفية جرثوم يسمى السالمونيلة التيفية وهو أحد أفراد جنس كبير من الجراثيم تدعى السالمونيلات يسبب الكثير من أفراده أمراضاً مختلفة للإنسان. ويتصف جرثوم السالمونيلة التيفية بمقاومته النسبية للعديد من العوامل التي تؤثر عادة على الجراثيم وتقتلها كالحموضة والمطهرات المختلفة، وتستطيع جراثيم السالمونيلة البقاء حية في الماء أو التراب أو الرواسب المائية والطينية لأسبوعين أو أكثر أحياناً، كما تستطيع البقاء حية على سطح الخضار والفواكه الملوثة بها بين خمسة أيام وعشرة، ولكنها تبقى في اللحوم والبيض والحليب ومشتقات الألبان كالقشدة والزبدة مدة قد تزيد على ثلاثة أشهر أحياناً. وتقاوم جرثومة السالمونيلة الحرارة بدرجة 50 ْ مدة ساعة تقريباً لكنها تموت بالغليان في عدة دقائق.

جراثيم السالمونيلة التيفية لا تصيب إلا الإنسان، ويقوم الشخص المريض أو الناقه من المرض أو ما يدعى بحامل الجرثوم بطرحه عن طريق البراز أو البول فترات قد تطول أحياناً. ويمكن للجراثيم عندها أن تلوث المياه والأتربة والخضراوات والأيدي وغيرها إذ يصل الجرثوم إلى الإنسان السليم عندما يشرب ماءً ملوثاً أو يبتلع بعض الماء الملوث في أثناء السباحة وخاصة في البرك الراكدة، أو عندما يتناول حليباً ملوثاً دون غليه أو يتناول مشتقات الحليب الملوث غير المغلية كالقشدة النيئة والجبنة المصنعة دون غلي الحليب. ولا يستبعد وصول الجرثوم إلى الإنسان عن طريق تناول الخضراوات المروية بمياه المجاري وغير المغسولة جيداً أو تناول الأطعمة المحضرة بأيدي أشخاص حملة للجرثوم ولو كانوا لا يشكون من أي أعراض مرضية. وفي حال غياب طرق الصرف الصحي المغلق للمفرغات البشرية يمكن للذباب أن يؤدي دوراً كبيراً في نقل السالمونيلة بعد أن يحط على المفرغات البشرية المكشوفة ويحمل معه جزيئات دقيقة من البراز حاوية على الجراثيم وينقلها إلى الأغذية المكشوفة التي يحط عليها، كما قد تشكل أدوات المريض وحاجياته ذات الاستخدام الشخصي مصدراً إضافياً للعدوى.

بعد دخول السالمونيلة إلى الجسم مع الغذاء أو الماء الملوثين أو بوساطة الأيدي الملوثة تجتاز المعدة بسبب مقاومتها للحموضة وتصل إلى الأمعاء حيث تتكاثر في العقد اللمفاوية المعدية ثم تنتشر منها إلى الدم، ويموت في هذه الأثناء قسم كبير من الجراثيم وتنحل خلاياها فتنطلق منها مادة سامة تدعى الذيفان الداخلي endotoxin، وهي ذات تأثير رافع للحرارة وسامللكثير من أجهزة الجسم وأعضائه وخاصة القلب والأوعية الدموية والجهاز العصبي. تتكاثر السالمونيلات التيفية في الجسم في بداية المرض دون أعراض واضحة في فترة تدعى فترة الحضانة، وهي تستمر في الحمى التيفية من عشرة أيام إلى أسبوعين يبدأ بعدها المرض غالباً تدريجياً، إذ يشعر المريض بتعب عام وشعور بالإنهاك وارتفاع متدرج في درجات الحرارة،

ويرافق ذلك صداع يشتد مع الوقت مع إمكانية حدوث أعراض هضمية على شكل غثيان ونقص في الشهية وآلام بطنية مختلفة الشدة مع شعور بانتفاخ البطن وإمساك في معظم الأحيان، ويتأثر نوم المريض عادةً إذ يصبح أرقاً، كما تتأثر قدرته على العمل بسبب الحالة العامة السيئة، وقد تصل درجة حرارة المريض إلى 40 ْ أو 41 ْ في اليوم الرابع أو الخامس للمرض، ومع الوقت تزداد الحالة سوءاً حيث يستلقي المريض منهكاً دون حراك. وفي الحالات الشديدة للمريض قد يظهر عند بعض المرضى فقدان جزئي أو كلي للوعي وهذيان أو هلوسات سمعية أو بصرية ويكون منظر مريض الحمى التيفية في الحالات النموذجية للمرض وصفياً: إعياء شديد ونظرات دون معنى وجفاف في الجلد مع شحوب وسخونة وانتفاخ في البطن. وقد تظهر عند معظم المرضى في الأيام الأولى للمرض بقع صغيرة وردية اللون على الجلد تزول فيعدة أيام. كما يلاحظ عند فحص نبض المريض تباطؤ واضح فيه على الرغم من ارتفاع الحرارة.

إلى جانب هذا الشكل من الحمى التيفية والذي يسببه جرثوم السالمونيلة التيفية هناك شكلان آخران من الحمى التيفية يدعيان الحمى نظيرة التيفية A والحمى نظيرة التيفية Bويسببهما جرثومان شبيهان بالسالمونيلة التيفية يدعيان السالمونيلة نظيرة التيفية A والسالمونيلة نظيرة التيفية B. وتختلف الحمى نظيرة التيفية عن الحمى التيفية قليلاً إذ يكون بدء الأعراض فيها أكثر سرعة، وتكون الأعراض العامة للمرض عامة أخف وطأة مع إمكانية ظهور أعراض تنفسية كالزكام وألم البلعوم أو السعال أحياناً، وتلاحظ أعراض هضمية واضحة كالإسهال في أغلب الحالات، ويحدث الشفاء عادة بشكل أسرع من الحمى التيفية.

تتراجع الأعراض عند معظم مرضى الحمى التيفية بعد ثلاثة أسابيع أو أربعة على بدايتها إذ يشفى غالبية المرضى دون مضاعفات، إلا أنه يمكن أن يحدث عند بعض المرضى مضاعفات للمرض قد تكون خطرة على الحياة  كانثقاب الأمعاء أو نزفها أو القصور القلبي الوعائي أو ما يسمى التهاب العضلة القلبية التيفي، وفي حالات نادرة قد تحدث مضاعفة خطيرة أخرى هي التهاب الدماغ التيفي. ويبدو في السنوات الأخيرة أن حالات الحمى التيفية ونظائرها غير النموذجية والتي لا تظهر فيها أعراض المرض الوصفية التي ذكرت سابقاً آخذة في الازدياد، وقد يكون سبب ذلك تناولالصادات المبكر أو المعالجات الناقصة للمرض.

بعد شفاء المريض من الحمى التيفية تتخلص أجسام معظم المرضى من جرثوم السالمونيلة التيفية إلا أن 5-10% من المرضى يبقى الجرثوم موجوداً في أجسامهم في فترة النقاهة أو بعدها بفترات مختلفة ويدعى هؤلاء «الحملة المزمنون للجرثوم» وغالباً ما يتوضع الجرثوم عند هؤلاء الأشخاص الحملة في المرارة والأمعاء، ويصبح هؤلاء الحملة المزمنون مصدراً هاماً من مصادر نشر الجرثوم في الوسط المحيط إذ يطرحونه مع البراز لفترات قد تمتد لأشهر وربما لسنوات.

تُشخص الحمى التيفية من الأعراض التي يشكو منها المريض، وفحص المريض من قبل الطبيب. ويتم تأكيد الإصابة بالحمى التيفية بالكشف عن الجرثوم في دم المريض وخاصةفي الأسبوع الأول والثاني للمرض، وذلك بإجراء ما يسمى بزرع الدم وهو إجراء مخبري هام للتشخيص، وهناك طريقة أخرى للتشخيص تعتمد على كشف الأجسام المضادة النوعية التي يكونها الجهاز المناعي للمريض تجاه السالمونيلة التيفية، وتدعى هذه الطريقة (تفاعل فيدال)، وهي لا تفيد إلا إذا أجريت بعد عشرة أيام أو أكثر على بدء المرض، كما يمكن التأكد من بقاء الجرثوم في الجسم بعد شفاء المريض أو زواله منه بالبحث عنه في براز المريض أو بوله، وهو إجراء منوالي يُجرى عادة للكشف عن الحملة المزمنين للجرثوم، وخاصة عند الأشخاص الذين يعملون في مجال التغذية وتهيئة الطعام للآخرين كعمال المطاعم وعمال المطابخ في المشافي وغيرها من المؤسسات الكبيرة.

يجب أن تتم معالجة الحمى التيفية، وخاصة الحالات الشديدة منها، في المشفى إذ يجب عزل المريض ولو جزئياً عن الآخرين وتوفير الراحة والحمية المناسبة له، فتستبعد من أطعمته الأطعمة الدسمة والمقلية والحريفة. ويعطى المريض الأدوية المناسبة كخافضات الحرارة والأدوية المضادة لجرثوم السالمونيلة التيفية (الصادات). وقد استخدمت في السابق ولعشرات السنين مادة الكلورامفنيكول لهذا الغرض لكنها استبدلت في السنوات الأخيرة بمضادات جراثيم أخرى تفيد في القضاء على السالمونيلة التيفية وليس لها تأثيرات الكلورمفنيكول الضارة على الجسم يذكر منها السولفاميتوكزازول والتري ميتوبريم.

ينصح مرضى الحمى التيفية بعد الشفاء بالابتعاد عن الأعمال المجهدة والمتعبة أو التعرض للحرارة أو البرودة المفرطتين، ويفضل استبقاؤهم لشهر أو أكثر على حمية مناسبة تحوي غذاءً متوازناً سهل الهضم.

يمكن الوقاية من الحمى التيفية بتشخيص الحالات المرضية جيداً وعزل المرضى وإعطائهم العلاج المناسب مبكراً مدة زمنية كافية من أجل تخليص أجسامهم من الجرثوم تماماً، كما يفضل مراقبة الأشخاص الذين كانوا على تماس مع المريض مدة أسبوعين أو ثلاثة أسابيع. ومن الإجراءات التي تفيد في الحد من انتشار المرض وتقي من الإصابة به التقيد الصارم بقواعد النظافة الشخصية كغسيل الأيدي جيداً بعد الخروج من المرحاض وقبل تناول أي طعام، وغسل الخضار والفواكه جيداً، وعدم شرب الماء المشكوك بتلوثه قبل غليه، وعدم شرب الحليب النيئ أو المشتقات المصنعة من حليب نيئ غير مغلي، وعدم السباحة في المياه المشكوك بتلوثها، ومراقبة أحواض السباحة وتطهيرها دورياً. وثمة لقاح خاص للحمى التيفية يعطى عادة للأشخاص المعرضين للإصابة، وخاصة في المناطق التي يتوطن فيه المرض بصورة دائمة. وقد كانت الحمى التيفية حتى منتصف القرن العشرين مرضاً منتشراً في معظم بقاع الأرض إلا أن تحسن الظروف الصحية والمعيشية وتطور طرق الصرف الصحي في معظم دول العالم واكتشاف الأدوية القاتلة للسالمونيلة التيفية، كل ذلك جعل معدل الإصابة بهذا المرض ينخفض كثيراً في الدول المتقدمة، إلا أن الحمى التيفية لا زالت مرضاً متوطناً وكثير المشاهدة (وإن كان بنسب مختلفة) في الدول الفقيرة والمتخلفة ولاسيما في المناطق الريفية التي تفتقر إلى مياه الشرب النظيفة وإلى طرق الصرف الصحي السليم، حيث تكثر الإصابات في فصل الصيف، ولاسيما عند الطبقات ذات المستوى الصحي والمعيشي المتدني.

البكتيريا - bacteria

الجراثيم bacteria كائنات صغيرة جداً لا ترى بالعين المجردة ويتألف كل واحد منها من خلية واحدة أولية النواة البسيطة التركيب. واكتشفت الجراثيم أول مرة في القرن السابع عشر على يد الهولندي فان لوفنهوك Van Leeuwenhoek الذي اخترع المجهر، وقاده اختراعه هذا إلى الكشف عن وجود كائنات دقيقة لا ترى بالعين المجردة، ولكن المعرفة المعمقة للجراثيم ودورها الممرض لم يكتمل إلا بعد منتصف القرن التاسع عشر على يد باحثين مثل الألماني كوخ Koch والفرنسي باستور Pasteur والإنكليزي ليستر Lister.

وللجراثيم أنواع كثيرة تنتشر في كل مكان في الطبيعة فقد توجد في التراب والماء وعلى النباتات، كما يمكن أن تشاهد على سطوح أجساد الحيوانات والإنسان، وفي بعض أجزاء الجسم المفتوحة على الوسط الخارجي كالفم والجهاز الهضمي والتناسلي. وتدعى الجراثيم المستقرة في هذه الأماكن بالجراثيم المطاعمة وهي تستفيد من الجسم وتفيده، ويطلق عليها اسم النبيت الجرثومي الطبيعي (الفلورا flora).

تمتاز الجراثيم بقدرتها على البقاء في ظروف شديدة التباين، وحتى في تلك الظروف التي لا تلائم الكثير من الكائنات الأخرى. وتقوم الكثير من الأنواع الجرثومية بدور هام في توازن البيئة المحيطة بالإنسان، وتحصل الجراثيم على الطاقة اللازمة لها من التفاعلات الكيمياوية التي تقوم بها على المركبات العضوية وغير العضوية في الوسط الذي تعيش فيه.

أشكال الجراثيم وبنيتها

 تكون الخلية الجرثومية من حيث الشكل الخارجي إما بشكل كروي (مكورة) وإما بشكل متطاول مستقيم (عصية) وإما متطاولة دقيقة مع بعض الانثنائات (ملتوية)، ويقيس الجرثوم وسطياً بين ميكرون واحد وعدة ميكرونات، (الميكرون = 1/1000 من الملمتر)، أما من حيث البنية الدقيقة للجرثوم فهو يتكون من أغلفة خارجية تحيط بالهيولى الخلوية التي هي مادة هلامية تحوي المادة الوراثية الجرثومية (الصبغي الجرثومي) الذي يضم المعلومات الوراثية الخاصة بالجرثوم، ولا يحيط به غشاء نووي، إضافة إلى الأجسام الريبية وبعض الحبيبات الادخارية. وتحاط الهيولى الجرثومية بغشاء رقيق يدعى الغشاء الهيولي، وهو محاط بغلاف ثخين وقاس نسبياً هو الجدار الخلوي الجرثومي الذي يتكون بصورة رئيسية من مادة فريدة تدعى الببتيدوغليكان peptidoglycan الموجودة في الجراثيم فقط، وهي شبكة معقدة تتركب من مواد بروتينية وعديدات السكاريد، ويحوي الجدار الخلوي إضافة إلى الببتيدوغليكان مركبات أخرى شحمية وسكرية.

 وتقسم الجراثيم بحسب بنية جدرها الخلوية وتركيبها، ومن ثم تلونها بطريقة معينة تدعى طريقة غرام Gram، إلى جراثيم إيجابية الغرام وجراثيم سلبية الغرام.

 تملك بعض الجراثيم طبقة هلامية مكونة من عديدات السكاريد تحيط بالجدار الخلوي وتدعى المحفظة الجرثومية، كما تملك بعض الجراثيم استطالات بروتينية دقيقة تدعى السياط تساعد الجرثوم على الحركة.

تستطيع بعض الأنواع الجرثومية حين تعرضها إلى ظروف قاسية غير مناسبة لبقائها، أن تتحول إلى شكل خامل استقلابياً لكنه شديد المقاومة يدعى البوغ spore، الذي يتحول مرة أخرى إلى جرثوم نشيط استقلابياً حين توافر الظروف المناسبة.

تكاثر الجراثيم وفيزيولوجيتها

تتكاثر الجراثيم بوساطة الانشطار الثنائي، إذ ينقسم الجرثوم إلى جرثومين متماثلين حين وصوله إلى درجة معينة من النمو. وتختلف سرعة انقسام الجرثوم من نوع جرثومي إلى نوع آخر، فهي تتحمل وسطياً نحو عشرين دقيقة في الجراثيم المعوية، في حين قد تمتد إلى ساعات أو أيام في جراثيم أخرى كالعصيات السلية. ولابد لنمو الجراثيم وتكاثرها من توافر العناصر الغذائية الضرورية كالكربون والنتروجين وغيرها إضافة للشوارد المعدنية المختلفة. وتستطيع بعض الجراثيم استخدام النتروجين الجوي الذي تثبته وتحوله إلى أملاح نشادرية، وهذه الجراثيم تقوم بدور هام في دورة الحياة على سطح كوكبنا وتؤمن خصوبة الأرض، أما بالنسبة لحاجة الجراثيم للأكسجين فهي تختلف بحسب الأنواع الجرثومية، إذ إن بعضها لا يستطيع الحياة بدونه (جراثيم هوائية مجبرة) وبعضها على نقيض ذلك لا يستطيع العيش بوجوده (جراثيم لا هوائية مجبرة) وهناك أنواع تستطيع البقاء في الحالتين معاً (جراثيم لا هوائية مخيرة). وقد استطاع الإنسان اعتماداً على معرفته الدقيقة بفيزيولوجية الجراثيم واحتياجاتها الغذائية إيجاد أوساط صنعية مختلفة تحوي المواد الضرورية لنموها، تدعى الأوساط الزرعية الجرثومية، وهي تستخدم في المخابر لتنمية الجراثيم ودراستها وتشخيص أمراضها.

ولابد، إضافة إلى توافر المواد المغذية الضرورية لنمو وتكاثر الجراثيم أيضاً من توافر الظروف المناسبة كدرجة الحرارة والرطوبة ودرجة الحموضة وغيرها. تفضل معظم الجراثيم درجات الحرارة المعتدلة، وتعد الدرجة 37 مئوية درجة الحرارة المثالية للجراثيم الممرضة للإنسان والحيوان، في حين تتلف معظم الجراثيم (ما عدا الأبواغ) بالحرارة المرتفعة فوق 80 درجة خلال عدة دقائق، أما البرودة فإنها لا تقضي على الجراثيم إنما توقف نموها وتكاثرها، كما يؤثر الجفاف والحموضة والإشعاعات المختلفة سلباً على معظم الأنواع الجرثومية، وتقاوم الأبواغ هذه العوامل كلها.

 ويدعى القضاء التام على الجراثيم -بما فيها المبوغة- وعلى غيرها من الأحياء الدقيقة التعقيم sterilization، في حين تسمى العملية التي تمكن من القضاء على معظم الجراثيم-باستثناء الأبواغ والأشكال المقاومة منها- التطهير disinfection.

إمراضية الجراثيم

على الرغم من التنوع الهائل للأنواع الجرثومية المحيطة بالإنسان، فإن معظم هذه الأنواع الجرثومية تعيش على المواد العضوية المختلفة في الطبيعة وعلى نحو مستقل عن الإنسان مسهمة في كثير من النشاطات البيئية وتدعى الجراثيم الرمامة، كما تعيش أنواع كثيرة من الجراثيم على نحو متعايش (مطاعم) على سطح الجسم أو الأغشية المخاطية. ولا تؤلف الأنواع التي يمكن أن تسبب المرض عند الإنسان سوى نسبة محدودة من عالم الجراثيم الواسع، وتدعى الجراثيم الممرضة النوعية، ويسمى المرض الذي تسببه هذه الجراثيم الخمج الجرثومي bacterial Infection. وتتصف الجراثيم الممرضة بإمكانية التغلب على مناعة الجسم واختراق حواجزه الدفاعية، وإحداث أذيات مختلفة الشدة والطبيعة، وتنجم قدرة الجراثيم الممرضة على إحداث المرض عن عوامل عدة أهمها قدرة هذه الجراثيم على الالتصاق بالأنسجة وخاصة بالأغشية المخاطية والتغلغل فيها واختراقها، يساعدها في ذلك بعض الصفات مثل وجود المحفظة الجرثومية أو بعض المركبات الأخرى على سطح الجرثوم والتي تساعده على التصاقه بالأنسجة، إضافة إلى قدرة كثير من الجراثيم الممرضة على إفراز مواد سامة تدعىالذيفانات toxins، أو إفرازها إنزيمات مختلفة تسهم في تخريب أنسجة الجسم أو أذيتها. وتقسم الذيفانات التي تفرزها بعض الجراثيم الممرضة إلى ذيفانات خارجية وذيفانات داخلية. فالذيفانات الخارجية مواد بروتينية شديدة السمية تفرزها على الأغلب جراثيم إيجابية الغرام في أماكن تكاثرها في العضوية وتنتشر إلى أعضاء الجسم المختلفة مسببة تأثيرات خطرة ومميتة أحياناً، كما يحدث في مرض الكزاز أو التسمم بالذيفان الوشيقي. أما الذيفانات الداخلية فليست مواد تفرزها الجراثيم إنما هي في حقيقة الأمر أجزاء من المواد المكونة للجدار الخلوي للجراثيم سلبية الغرام تنطلق حين موت هذه الجراثيم وانحلالها داخل الجسم، وهي مكونة من عديدات سكاريد ومواد شحمية، تؤدي إلى تأثيرات عديدة أهمها ارتفاع الحرارة والتوسع الوعائي وانخفاض الضغط، وقد يصل الأمر أحياناً إلى حدوث حالة خطيرة جداً تدعى الصدمة الإنتانية toxic shock.

 إضافة إلى الجراثيم الممرضة النوعية، فإن كثيراً من الجراثيم المتعايشة والرمامة يمكنها، وفي ظروف خاصة كنقص مناعة الجسم أو عند وصولها إلى أماكن عقيمة في الجسم، أن تسبب بعض الأخماج التي تدعى بالأخماج الانتهازية، كما يشاهد ذلك مثلاً عند مرضى متلازمة عوز المناعة المكتسب (الإيدز).

انتقال الجراثيم

 لابد لحدوث العدوى بالجراثيم الممرضة من وجود مصدر للعدوى وطرق لانتقالها من مصدر العدوى إلى الشخص السليم. ويشكل المرضى والناقهون من المرض والأشخاص الذين توجد الجراثيم في أجسامهم دون أن تسبب لهم مرضاً والذين يدعون حملة الجراثيم، المصادر الرئيسية للعدوى بالجراثيم الممرضة، إذ يمكن لهذه الجراثيم أن تنتقل إلى الأشخاص السليمين بشكل مباشر بوساطة التماس أو الطريق الجنسي أو عن طريق الرذاذ، أو بشكل غير مباشر بوساطة الأدوات والأشياء والأطعمة والأشربة الملوثة، كما يمكن بعض الحشرات أن تنقل بعض أنواع الجراثيم من شخص لآخر.

مداواة الأمراض الجرثومية

 تستخدم لمعالجة الأمراض الجرثومية مواد مختلفة التركيب تدعى الصادات[ر] antibiotics، وهي تؤدي لقتل الجراثيم أو وقف تكاثرها داخل الجسم بآليات مختلفة دون أن تسبب أذية لجسم المريض إذا أعطيت بالجرعات المناسبة، وذلك باستهدافها بنىً تشريحية ووظيفية خاصة بالجرثوم وغير موجودة في خلايا الجسم. وقد أسهم استخدام الصادات واكتشاف أعداد كبيرة منها بشكل مستمر على الحد من الأمراض الجرثومية وتخفيف أخطارها في الخمسين سنة الأخيرة، إلا أن بعض الجراثيم تبدي مقاومة طبيعية أو مكتسبة للعديد منها، وذلك بآليات مختلفة كإفراز إنزيمات تخربها مثل إنزيم البينيسيليناز penicillinase الذي يخرب البنسيلين، أو تغير بنيتها، وقد أدى الاستخدام الواسع وغير الرشيد للصادات في السنوات الأخيرة إلى زيادة ملحوظة في عدد الأنواع والذراري الجرثومية المقاومة لعدد من الصادات مما يسبب مشكلة طبية حقيقية خاصة في المستشفيات.   

عاثيات الجراثيم bacteriophages 

عاثيات الجراثيم bacteriophages فيروسات تتطفل على بعض الجراثيم وتتضاعف بداخلها مؤدية في كثير من الأحيان إلى انحلال هذه الجراثيم وتخربها.

وكان قد لوحظ أول مرة انحلال الجراثيم وموتها تحت تأثير عامل خارجي عام 1898، وفي عام 1915 توقع الباحثان تفورت Twort وهيريل Herelle أن سبب انحلال بعض مستعمراتالجراثيم التي تدعى المكورات العنقودية هو عامل ممرض ينتمي إلى العوامل الممرضة التي تدعى الفيروسات، ثم برهن كل منهما بعد ذلك على أن الجراثيم تخمج بالفيروسات شأنها شأن الحيوانات والنباتات العليا، إذ ينجم هذا الخمج عن تنسخ فيروسات خاصة بالجراثيم ويتظاهر بانحلال الخلايا الجرثومية. وفي عام 1917 استفردت إحدى الفيروسات التي تخمج الجراثيم من أمعاء مريض مصاب بمرض الزحار العصوي، وأطلق على هذه الفيروسات عندها اسم عاثيات الجراثيم. وقد تبين فيما بعد أن نوعاً محدداً من هذه العاثيات لا يخمج إلا نوعاً معيناً من الجراثيم، بل ذرية محددة ضمن نوع جرثومي معين، وتعود هذه الاصطفائية الدقيقة لإصابة الجراثيم بالعاثيات إلى وجود مستقبلات خاصة لعاث معين على سطح هذه الجراثيم، ويكون سيرالخمج الذي تحدثه العاثية للجراثيم وكأنه مرض معد ينتقل من الجراثيم المصابة فيعديها ويقضي عليها، وقد كانت الدراسات المكثفة الأولى التي أجريت على العاثيات تهدف إلى التوصل لطريقة شفاء طبيعية (حيوية) من الأخماج الجرثومية، لكن ذلك لم يتحقق، إلا أن اكتشاف العاثيات ودراستها كان له أثر كبير على تطور التقانات الحيوية الجزيئية وعلى علم الوراثة الحديث؛ ويقدر اليوم عدد أنواع العاثيات المعروفة والتي تمت مشاهدتها بوساطة المجهر الإلكتروني بنحو 2800 نوع.

شكل عاثيات الجراثيم وبنيتها

تنتمي العاثيات إلى عالم الفيروسات لذا تخضع بنيتها العامة للقواعد التي تخضع لها بنية الفيروسات، إذ تتكون العاثية من جزأين رئيسيين هما المحفظة البروتينية والحمض النووي الذي يوجد بداخل المحفظة ويكون إما دنا DNA أو رنا RNA. وتعد العاثية التي تصيب الجراثيم المعوية (الإشريكيات القولونية) والتي تسمى T₂ من أكثر العاثيات دراسة ومعرفة، إذ تظهر هذه العاثية عند دراستها بالمجهر الإلكتروني مكونة من رأس وذيل وقاعدة، ويكون الرأس على شكل متعدد الأضلاع متطاول ذي عشرين وجهاً وطوله نحو 80 نانو متر ويحيط بالحمض النووي، أما ذيل العاثية فيقدر طوله بنحو 100 نانو متر ويتألف من جزء داخلي أسطواني مكون من خيوط دقيقة ويدعى القناة المحورية وجزء خارجي يحيط بالقناة المحورية وهو غمد قابل للتقلص، وتوجد في النهاية القصوى للذيل لويحة سداسية الأضلاع تسمى اللويحة القاعدية، وتلتصق على اللويحة القاعدية شويكات وألياف ذيلية وهي تمثل الجزء الذي تتثبت به العاثية على الجرثوم (الشكل).

مع أن معظم العاثيات تملك هذا الشكل تقريباً إلا أن بعضها يملك ذيلاً لا يتقلص، وبعضها لا يملك ذيلاً على الإطلاق، كما أن هناك عاثيات ذات شكل خيطي.

تضاعف العاثيات

 يمر إخماجُ العاثيات للجراثيم بمراحل عدة تبدأ بتثبت العاثية بوساطة الصفيحة القاعدية على مستقبلات نوعية خاصة في الجدار الخلوي الجرثومي. ويمكن لجرثوم واحد أن يملك عدة مستقبلات لعاثيات مختلفة، ويحصل بعد تثبت العاثية على الجرثوم تقلص في الغمد الخارجي لذيل العاثية يقرب رأس العاثية من صفيحتها القاعدية مما يؤدي إلى اختراق قناة الذيل المحورية الداخلية للغشاء الهيولي للخلية الجرثومية المستهدفة وحقن الحمض النووي العاثي داخل هذه الخلية ويقتصر الإخماج على دخول DNA العاثية إلى الخلية الجرثومية من دون المحفظة البروتينية التي لا تمثل إلا غلافاً واقياً للحمض النووي الذي يحمل المعلومات الوراثية الخاصة بالعاثية.

بعد دخول الحمض النووي للعاثية إلى داخل الجرثوم يبدأ تحول المعلومات الوراثية المرمزة عليه إلى مركبات بنيوية ووظيفية تابعة للعاثية وذلك بالاعتماد على الوظائف الاستقلابية للخلية الجرثومية، إذ يتم أولاً اصطناع نسخ عدة للحمض النووي ثم يتم إنتاج البروتينات الخاصة بالعاثية والتي يتكون منها رأس العاثية وذيلها، يلي ذلك تركيب هذه الأجزاء معاً مما يؤدي إلى ظهور أعداد كبيرة من العاثيات المماثلة للعاثية الخامجة داخل الجرثوم ثم ينحل الجرثوم وتخرج العاثيات (الأبناء) إلى الوسط المحيط، وتستغرق الدورة التضاعفية للعاثية  بين 15و40 دقيقة بحسب نوع العاثية.

  ويظهر انحلال الخلايا الجرثومية وتخربها بفعل العاثيات الخاصة بها واضحاً فيما لو أضيفت كمية صغيرة من العاثيات إلى وسط مغذ سائل يحوي جراثيم الإشريكيات القولونية، وكانت العاثيات المضافة فعالة تجاه هذا النوع من الجراثيم (يقال هنا إن الجرثوم متحسس بها)، فإن الوسط الزرعي الذي يكون في البداية عكراً بسبب وجود الجراثيم سيصبح رائقاً بعد عدة ساعات، وهذه الظاهرة التي ترى بالعين المجردة تدل على انحلال الجراثيم بفعل العاثيات.

إن دورة تضاعف العاثية هذه والمشابهة لدورة تضاعف الفيروسات الأخرى، والتي تبدأ بدخول العاثية إلى الجرثوم وتنتهي بتخرب الجرثوم وتحرر أعداد كبيرة من العاثيات الجديدة منه، لا تحدث دائماً عند جميع العاثيات، إذ إن بعض العاثيات، وتدعى العاثيات المعتدلة، تسلك طريقاً آخر عند إصابتها للجرثوم، فبعد دخول الحمض النووي للعاثية إلى داخل الجرثوم المستهدف يندمج DNA العاثية، الذي يدعى عندها طليعة العاثية، مع الصبغي الجرثومي، وفي هذه الحالة التي تدعى الاستذابة lesogeny فإن العاثية لا تتضاعف ضمن الخلية الجرثومية ولا يموت الجرثوم، بل يبقى قادراً على النمو والتكاثر، لكن في أثناء انقسام الجرثوم يتضاعف دنا العاثية مع الصبغي الجرثومي وتكتسب كل خلية جرثومية جديدة نسخة من هذا الدنا مندمجاً في صبغياتها.

إن اندماج الحمض النووي للعاثية في الصبغي الجرثومي قد يؤدي إلى اكتساب الجرثوم لصفات أو وظائف جديدة مثل القدرة على إنتاج ذيفانات كما هو الأمر في جراثيم الوتديات الخناقية والمطثيات الوشيقية.

إن طليعة العاثية المندمجة في الصبغي الجرثومي، وتحت تأثير بعض المؤثرات، قد تتحرر من الصبغي الجرثومي، وفي هذه الحالة تعود العاثية إلى التضاعف وبالتالي تؤدي إلى انحلال الجرثوم وموته، فطليعة العاثية إذاً هي جين مميت كامن ضمن الجرثوم، وتعد الأشعة السينية وفوق البنفسجية من محرضات تحرر طليعة العاثية المندمجة.

إن اندماج طليعة العاثية في الصبغي الجرثومي وانفصالها عنه بعد ذلك قد يؤديان إلى حدوث بعض التغيرات الوراثية في الخلية الجرثومية مثل التبدل في عمل بعض الجينات الخلوية، وزيادة إمكانية حدوث الطفرات، كما قد تأخذ طليعة العاثية المنفصلة معها جزءاً صغيراً من الصبغي الجرثومي وتقوم بنقله إلى جرثوم مختلف آخر مكسبة إياه جينات جديدة، وتدعى هذه الحادثة التي تقوم بها العاثية بنقل معلومات وراثية من جرثوم لآخر (التنبيغ transduction).

إن محاولة استخدام العاثيات في معالجة الأخماج الجرثومية كانت مخيبة للآمال لأسباب عدة، لكن العاثيات تستخدم في المخابر المتخصصة من أجل التقسيم الفرعي الدقيق للنوع الجرثومي الواحد إلى عدة أنماط حلية (استذابية) lysogenic، وذلك تبعاً لوجود مستقبلات نوعية لعاثيات معينة على سطح الجرثوم.  

تسبب العاثيات أضراراً في بعض الأحيان كالعاثيات التي تتلف الجراثيم المستخدمة في صناعة الألبان، أو المستخدمة في صناعة الصادات. 

Prenatal Diagnosis for Congenital Malformations and Genetic Disorders

Introduction
Congenital abnormalities account for 20-25% of perinatal deaths. Now, many genetic and other disorders can be diagnosed early in pregnancy.

Prenatal diagnosis uses various noninvasive and invasive techniques to determine the health of, the condition of, or any abnormality in an unborn fetus. These techniques are outlined below.
Noninvasive techniques

• Fetal visualization
  • Ultrasound
  • Fetal echocardiography
  • Magnetic resonance imaging (MRI)
  • Radiography
• Screening for neural tube defects (NTDs) - Measuring maternal serum alpha-fetoprotein (MSAFP)
• Screening for fetal Down syndrome
  • Measuring MSAFP
  • Measuring maternal unconjugated estriol
  • Measuring maternal serum beta-human chorionic gonadotropin (HCG)
• Separation of fetal cells from the mother's blood

Invasive techniques

• Fetal visualization
  • Embryoscopy
  • Fetoscopy
• Fetal tissue sampling
  • Amniocentesis
  • Chorionic villus sampling (CVS)
  • Percutaneous umbilical blood sampling (PUBS)
  • Percutaneous skin biopsy
  • Other organ biopsies, including muscle and liver biopsy
• Preimplantation biopsy of blastocysts obtained by in vitro fertilization
• Cytogenetic investigations
  • Detection of chromosomal aberrations
  • Fluorescent in situ hybridization
• Molecular genetic techniques
  • Linkage analysis using microsatellite markers
  • Restriction fragment length polymorphisms (RFLPs)
  • Single nucleotide polymorphisms (SNPs)
    • DNA chip
    • Dynamic allele-specific hybridization (DASH)

Noninvasive Techniques

Fetal visualization - Ultrasound
Ultrasound is a noninvasive procedure for imaging fetal anatomy. It is harmless to both the fetus and the mother. Ultrasound can evaluate gestational age, as well as identify twins; fetal position; placental location; fetal growth, development, and movement; and any structural birth defects. It also can assess amniotic fluid volume.
Many fetal organ systems and anatomical lesions, including some genitourinary, gastrointestinal, skeletal, and central nervous system abnormalities and congenital cardiopathies, can be visualized by ultrasound between 16-20 weeks' gestation. Using ultrasound, Romain et al¹ carried out prenatal detection of congenital cataract in an unborn fetus with trisomy 21. Aslan et al² carried out prenatal diagnosis of Neu-Laxova syndrome at 38 weeks' gestation. Ultrasound also is used to guide invasive sampling, such as amniocentesis, CVS, cordocentesis, and various fetal biopsies.
Fetal visualization - Fetal echocardiography
Fetal echocardiography can be performed at 15 weeks' gestation and beyond. When this technique is used with duplex or color flow Doppler, it can identify a number of major structural cardiac defects and rhythm disturbances.³ By fetal echocardiography, Saygili et al⁴ diagnosed absent pulmonary valve syndrome in a male infant prenatally at 22 weeks' gestation. Fetal echocardiography is recommended in cases where cardiac defects are suspected, including the following:

• Identification of an extracardiac malformation on routine ultrasound
• Abnormality of another major organ system
• Suspected genetic disease or fetal chromosome abnormality associated with heart defects
• Exposure to potentially teratogenic agents
• Family history of congenital heart defects, particularly in a parent or sibling
• Maternal diseases, such as diabetes or phenylketonuria associated with fetal structural heart defects, in particular heart blocks, such as lupus or other immune disorders
• Alcohol or drug consumption by mother during pregnancy
• Maternal rubella infection during pregnancy

Fetal visualization - MRI
MRI is a fetal imaging technique that uses powerful magnets and radio waves to construct images of the body, but, because of fetal movements, its application has been limited. Glenn et al reported a prenatal diagnosis of polymicrogyria using MRI as an imaging technique.⁵
Fetal visualization - Radiography
The fetal skeleton can be visualized by radiography from 10 weeks' gestation onward. This technique is used for the diagnosis of inherited skeletal dysplasias, particularly osteochondrodysplasia, in the second and third trimesters. Aslan et al² carried out prenatal diagnosis of thanatophoric dysplasia at 19 weeks' gestation in an 18-year-old woman. Because of the dangers of radiography to the fetus, this technique rarely is used.
Screening for neural tube defects
Screening for NTDs is recommended if the following are present:

• Ultrasound findings indicate NTDs.
• A child with NTDs is already in the family.
• A family history of NTDs exists, especially a mother with NTDs.
• The mother has type 1 diabetes mellitus during pregnancy.
• Maternal exposure to drugs, such as valproic acid, is associated with NTDs.
• Elevated level of MSAFP is present.

Measuring maternal serum alpha-fetoprotein
The developing fetus has 2 major blood proteins, albumin and alpha-fetoprotein (AFP), while adults have only albumin in their blood. The MSAFP level can be used to determine the AFP levels from the fetus. AFP is produced by the yolk sac and later by the liver; it enters the amniotic fluid and then the maternal serum via fetal urine.
In the condition of an open NTD (eg, anencephaly, spina bifida) and abdominal wall defects in the fetus, AFP diffuses rapidly from exposed fetal tissues into amniotic fluid, and the MSAFP level rises. However, the MSAFP levels also increase with gestational age, gestational diabetes, twins, pregnancies complicated by bleeding, and in association with intrauterine growth retardation.
The MSAFP test has the greatest sensitivity between 16-18 weeks' gestation, but it also can be performed between 15-22 weeks' gestation. A combination of the MSAFP test and ultrasonography detects almost all cases of anencephaly and most cases of spina bifida. Also, a NTD can be distinguished from other fetal defects, such as abdominal wall defects, by the use of an acetylcholinesterase test carried out on amniotic fluid obtained by amniocentesis. If the level of acetylcholinesterase rises along with AFAFP, it is suspected as a condition of a NTD.⁶
Screening for fetal Down syndrome - Measuring maternal serum alpha-fetoprotein
In cases where a low level of MSAFP is reported, it indicates the condition of Down syndrome or other chromosomal aneuploidy and failing pregnancies.^7,8
Screening for fetal Down syndrome - Measuring maternal unconjugated estriol
The amount of estriol in maternal serum depends upon viable fetus, a properly functioning placenta, and on maternal well-being. Fetal adrenal glands produce dehydroepiandrosterone (DHEA) that gets metabolized to estriol in the placenta. Estriol crosses to the maternal circulation and is excreted either by maternal kidney in urine or by maternal liver in the bile. In the third trimester, the level of estriol gives an indication for the well-being of the fetus. A low level of estriol is an indication of Down syndrome and adrenal hyperplasia with anencephaly.^9,10 If the estriol level drops to a great level, then it indicates risk to fetus.
Screening for fetal Down syndrome - Measuring maternal serum beta-human chorionic gonadotropin
Following conception and implantation of the developing embryo into the uterus, the trophoblasts produce enough beta-HCG, which is an indication for pregnancy. In the middle to late second trimester, the level of beta-HCG also can be used in conjunction with the MSAFP level to screen for chromosomal abnormalities. An increased beta-HCG level coupled with a decreased MSAFP level suggests Down syndrome.^11,8 The beta-HCG level also can be quantified in serum from maternal blood, and, if its amount is found to be lower than expected, it indicates abortion or ectopic pregnancy. If the level of HCG is estimated to be considerably high, then it indicates the possibility of trophoblastic diseases. The elevated level of HCG, along with absence of the fetus on ultrasonography, indicates a hydatidiform mole.
Screening for fetal Down syndrome - Measuring maternal inhibin-A levels
The hormone inhibin is secreted by the placenta and the corpus luteum. Inhibin-A can be measured in maternal serum. An increased level of inhibin-A is linked with an increased risk for trisomy 21. A high inhibin-A level may also be associated with a risk for preterm delivery.

Screening for fetal Down syndrome - Cell-free fetal nucleic acids from the placenta

Cell-free fetal DNA and RNA can be extracted from maternal blood around 7 weeks’ gestation, which can be used to screen for Down syndrome. Sex determination for families with inherited sex-linked diseases, diagnosis of certain single gene disorders, and blood Rhesus factor status (in the case of Rhesus D-negative mothers) can also be performed using cell-free fetal nucleic acids from the placenta.
Screening for fetal Down syndrome - Separation of fetal cells from the mother's blood
Fetal blood cells make access to maternal circulation through the placental villi. These cells can be collected safely from approximately 18 weeks' gestation onward, although by successful procedures, these cells can be collected at 12 weeks' gestation.¹² The fetal cells can be sorted out and analyzed by different techniques.
Fluorescent in situ hybridization (FISH) is one technique that can be used to diagnose aneuploid conditions, such as trisomies and monosomy X. In the condition of fetal infection with such viruses as rubella, cytomegalovirus, and toxoplasmosis, the viral immunoglobulin M (IgM) or DNA also can be identified in fetal blood.^13,14
Fetal blood cells can be analyzed for the diagnosis of genetic disorders using molecular genetic techniques by isolating DNA and amplifying it by polymerase chain reaction (PCR).
Fetal cells separated from a mother's blood have been successfully used in the diagnosis of cystic fibrosis, sickle cell anemia, and thalassemia in a fetus.

Invasive Techniques

Fetal visualization -Embryoscopy
Embryoscopy is performed in the first trimester of pregnancy (up to 12 weeks’ gestation).¹⁵ In this technique, a rigid endoscope is inserted via the cervix in the space between the amnion and the chorion, under sterile conditions and ultrasound guidance, to visualize the embryo for the diagnosis of structural malformations.
Fetal visualization - Fetoscopy
Fetoscopy is performed during the second trimester (after 16 weeks’ gestation). In this technique, a fine-caliber endoscope is inserted into the amniotic cavity through a small maternal abdominal incision, under sterile conditions and ultrasound guidance, for the visualization of the embryo to detect the presence of subtle structural abnormalities. It also is used for fetal blood and tissue sampling. Fetoscopy is associated with a 3-5% risk of miscarriage; therefore, it is superseded by detailed ultrasound scanning.
Fetal tissue sampling - Amniocentesis
Amniocentesis is an invasive, well-established, safe, reliable, and accurate procedure performed between 14-20 weeks of pregnancy. Amniocentesis is advised for pregnant women at 35 years or older for detection of chromosomal abnormalities in the fetus.
It is performed under ultrasound guidance. A 22-gauge needle is passed through the mother's lower abdomen into the amniotic cavity inside the uterus, and 10-20 mL of amniotic fluid that contains cells from amnion, fetal skin, fetal lungs, and urinary tract epithelium are collected. These cells are grown in culture for chromosomal, biochemical, and molecular biologic analyses. Supernatant amniotic fluid is used for the measurement of substances, such as AFAFP, hormones, and enzymes.
The results of cytogenetic and biochemical studies on amniotic cell cultures are more than 90% accurate. In the third trimester of pregnancy, the amniotic fluid can be analyzed for determination of fetal lung maturity. Risks with amniocentesis are rare but include 0.5-1.0% fetal loss and maternal Rh sensitization.
Fetal tissue sampling - Chorionic villus sampling
CVS is performed very early in gestation between 9-12 weeks, ideally at 10 weeks' gestation. A catheter is passed through the cervix or through the abdominal wall into the uterus under ultrasound guidance, and a sample of chorionic villi surrounding the sac is obtained. The villi are dissected from the decidual tissue, and chromosome analysis is carried out on these cells to determine the karyotype of the fetus (see image below).

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Karyotype showing normal male chromosomal constitution (46, XY).

DNA can be extracted from these cells for molecular analysis. DNA analysis of CVS specimens is helpful for early diagnosis of hemoglobinopathies.¹⁶ In addition, tissue culture can be initiated on these cells for further studies.
The major advantage of CVS over amniocentesis is getting quick results and its use in early pregnancy. Abnormalities can be identified at an early stage, and more acceptable decisions about termination of the pregnancy can be taken. Abortion is also much safer at this early stage. A disadvantage of CVS as compared to amniocentesis is a 2-3% risk of causing miscarriage, and, rarely, CVS can result with limb defects in the fetus.¹⁷ Maternal sensitization is possible. A higher rate of maternal cell contamination and confined placental mosaicism with CVS may result in diagnostic ambiguity, leading to the need for additional invasive diagnostic tests.¹⁸
Fetal tissue sampling - Percutaneous umbilical blood sampling
PUBS is also known as cordocentesis.¹⁴ It is a method for fetal blood sampling and is performed after 16 weeks' gestation. A needle is inserted into the umbilical cord under ultrasound guidance, and fetal blood is collected from the umbilical vein for chromosome analysis and genetic diagnosis. An advantage of PUBS is the rapid rate at which lymphocytes grow, allowing prompt genetic diagnosis.
This technique is also useful for evaluating fetal metabolism and hematologic abnormalities.
Fetal tissue sampling - Percutaneous skin biopsy
To prenatally diagnose a number of serious skin disorders, such as anhidrotic ectodermal dysplasia, epidermolysis bullosa letalis, epidermolysis bullosa dystrophica, hypohidrotic ectodermal dysplasia, oculocutaneous albinism, and genetic forms of ichthyosis, percutaneous fetal skin biopsies are taken under ultrasonic guidance between 17-20 weeks' gestation.
Fetal tissue sampling - Other organ biopsies, including liver and muscle biopsy
Fetal liver biopsy is needed to diagnose an inborn error of metabolism, such as ornithine transcarbamylase deficiency¹⁹ , glucose-6-phosphatase deficiency²⁰ , glycogen storage disease type IA, nonketotic hyperglycemia²¹ , and carbamoyl-phosphate synthetase deficiency.²² Fetal liver biopsy also is best performed between 17-20 weeks' gestation under ultrasound guidance.
Fetal muscle biopsy is carried out under ultrasound guidance at about 18 weeks' gestation to analyze the muscle fibers histochemically for prenatal diagnosis of Becker-Duchenne muscular dystrophy.²³
Fetal tissue sampling - Preimplantation biopsy of blastocysts obtained by in vitro fertilization
Techniques are being developed to test cells obtained from biopsy of early cleavage stages or blastocysts of pregnancies conceived through in vitro fertilization.²⁴ These techniques will be helpful for selective transfer and implantation of those pregnancies into the uterus that are not affected by a specific genetic disorder. This approach will be more acceptable to those couples who oppose abortions.

Cytogenetic Investigations

Detection of chromosomal aberrations
Chromosomal aberrations, such as deletions, duplications, translocations, and inversions diagnosed in affected parents or siblings, can be detected prenatally in a fetus by chromosomal analysis (see image below).

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Karyotype showing trisomy 21 (47, XY, +21) in a male.

This analysis can be undertaken on fetal cells obtained through such techniques as amniocentesis and CVS.
Fluorescent in situ hybridization
FISH uses different fluorescent-labeled probes, which are single-stranded DNA conjugated with fluorescent dyes and are specific to regions of individual chromosomes. These probes hybridize with complementary target DNA sequences²⁵ in the genome and can detect chromosomal abnormalities, such as trisomies²⁶ , monosomies, and duplications.
Three types of DNA probes are used in FISH analysis. Whole chromosome probes are specific to a whole chromosome or a chromosome segment and are applied to metaphase spread for the identification of translocations or aneuploidy. Repetitive probes, such as alpha satellite sequences located in the centromeric regions of human chromosomes, are used in the identification of marker chromosomes and aneuploidy. Unique sequence probes are single clones or a series of overlapping clones corresponding to a specific gene or a confined region of a chromosome that do not contain major repetitive sequences and are used for the identification of specific translocation events in cancer²⁷ and for the detection of submicroscopic deletions.²⁸
In 4% of retinoblastoma cases, deletion of chromosome band 13q14 has been reported.²⁹ Prenatal diagnosis of retinoblastoma cases with deletion of this band on chromosome 13 is feasible using fluorescent-labeled probes for this region. Hybridization of fluorescent DNA probes to interphase nuclei is under investigation as a screening method for aneuploidy.
Microarray comparative genomic hybridization
Recently, array-CGH (microarray comparative genomic hybridization) is considered to be useful in detecting genomic imbalance in the fetus (duplications/deletions).

Molecular Genetic Techniques

Overview

Molecular genetic techniques are being used for prenatal diagnosis.³⁰ These techniques are based upon the fact that DNA complement is generally identical in every cell of the body; therefore, any hereditary defect diagnosed at the DNA level will be present in nucleated cells from that individual. For molecular analysis, DNA is extracted from amniocytes, chorionic villi, or fetal blood cells. Then, it is amplified by PCR and is used for the diagnosis of genetic mutations or deletions within a gene that causes a specific genetic disease. The following molecular biologic techniques can be used for prenatal diagnosis of different diseases.
Linkage analysis by microsatellite markers
Microsatellites are short tandem repeats of 2-6 base pairs that are highly polymorphic and are distributed throughout the genome. This form of polymorphism is inherited in a mendelian codominant manner. For linkage analysis, primers for regions flanking the repeat sequences are designed and used to amplify these microsatellites by PCR, initially for candidate gene regions and on their exclusion for whole genome analysis.
On gel electrophoresis, the genotype of different individuals in the family indicating 2 alleles for each microsatellite marker is established, and haplotypes are constructed with the analyzed markers. Cosegregation of a particular allele of any of these analyzed markers with the disease phenotype, in all the affected but in none of the unaffected individuals, indicates the probability of linkage with that marker at that particular locus, which is confirmed statistically by calculating the lod scores. A lod score value of greater than 3 indicates linkage of that particular marker with the disease locus in that family. In informative families affected with a disease, linkage can be confirmed by lod score and haplotype analysis. Segregation of a particular allele linked with disease phenotype also can be tested in the fetus by haplotype analysis (see image below).

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Segregation of haplotypes for 10 markers (M1-M10) in a family. Diseased haplotype, as indicated by red bars, is shared by all of the affected individuals (filled circles and squares) and by none of the unaffected individuals (unfilled circles and squares).

Carter et al³¹ identified an intragenic polymorphic marker linked with human CP49 gene (that codes for intermediate filament protein in lens fiber cells) on chromosome 3 at band 3q21-22 for the genetic linkage analysis of autosomal dominant congenital cataract. Toudjarska et al³² demonstrated molecular diagnosis of Marfan syndrome by linkage analysis.
Restriction fragment length polymorphism
In the human genome, variations are common and reportedly occur approximately once every 200 base pairs. These single base pair differences in DNA nucleotide sequences are inherited in a mendelian codominant manner. Restriction endonucleases are the enzymes that recognize and cut DNA within a specific base sequence recognition site. If a difference occurs in the DNA sequence within the recognition sequence of a restriction enzyme, it results in fragments of different size by that restriction enzyme. This difference is recognized by the altered mobility of the restriction fragments on gel electrophoresis, which is known as RFLP (see image below). This technique is used to detect deletions within the gene and DNA polymorphisms and to identify mutant genes and mutations at hot spots.

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Pedigree (A) with RFLP analysis (B) with restriction enzyme BfaI. Due to sequence alteration, on restriction analysis affected individuals (4, 10, 14, 21) show 2 bands, whereas unaffected individuals (1, 2, 3, 9, 22) have only 1 undigested fragment.

Churchill et al³³ performed prenatal diagnosis in a familial case of aniridia by extracting DNA from cultured fibroblasts obtained through amniocentesis, RFLP with restriction enzyme Ava1, and electrophoresis by single-strand confirmation polymorphism to screen the PAX6 gene.
Single nucleotide polymorphisms
SNPs are single base differences in the genome of an individual, which occur about every 1000 bases. Each SNP has 2 alleles; they can be used for linkage analysis to carry out fine mapping of regions on the chromosomes and to study mutations in the genes. The advantages of SNPs are their abundant numbers, and they can be typed by oligonucleotide hybridization assay, without gel electrophoresis. Two methods are available for oligonucleotide hybridization assay, DNA chip and DASH.
DNA chip
A DNA chip is a wafer of silicon, usually 2 cm³ or less in area, and carries many different oligonucleotides (short single-stranded DNA molecule less than 50 nucleotides in length synthesized artificially in a test tube) in a high-density array. The DNA to be analyzed is labeled with a fluorescent marker and is pipetted onto the surface of the chip. Hybridization of labeled DNA is detected by examining the chip with a fluorescent microscope. The position where the hybridization signal is emitted indicates which oligonucleotide has hybridized with the test DNA. If there is a single mismatch at a single position within the oligonucleotide, that mismatch does not form a base pair, and hybridization does not occur. In this way, oligonucleotide hybridization discriminates between the 2 alleles of a SNP.
Dynamic allele-specific hybridization
In this technique, hybridization takes place in solution, in 1 of the 96 well microtiter tray. Hybridization is detected by a fluorescent marker that binds only to double-stranded DNA and emits a signal on hybridization. Initially, hybridization is carried out under conditions that allow mismatched hybrids to form, and, at this stage, oligonucleotides and the test DNA hybridize regardless of which SNP allele is contained by the DNA. By raising the temperature, the mismatched hybrids, which are less stable as compared to complete hybrids, break down. Detecting which allele is present in the test DNA can be determined from the temperature at which the hybridization-dependent fluorescent signal disappears.
Currently, SNPs are used for the molecular genetic analysis of many eye disorders, such as congenital cataract, myopia, Marfan syndrome, and glaucoma.

Prerequisites of Prenatal Diagnosis

Prenatal diagnosis is recommended in the following cases:

• The pregnant woman is 35 years or older at the time of delivery.
• She or her parents have had a previous child with a chromosomal abnormality.
• She has a history of recurrent abortions, or her husband's previous wife experienced several miscarriages.
• A history of parental consanguinity is present.
• The couple is known to be carriers of a chromosomal translocation.
• The pregnant woman is affected with type 1 diabetes mellitus, epilepsy, or myotonic dystrophy.
• She is exposed to viral infections, such as rubella or cytomegalovirus.
• The mother is exposed to excessive medication or to environmental hazards.
• In her or her spouse's family, a history of Down syndrome or some other chromosomal abnormality is present.
• A history of single gene disorder is present in her or her spouse's family.
• Her male relatives have Duchenne muscular dystrophy or severe hemophilia.
• She is suspected of having some other harmful gene on her X chromosomes.
• The fetus is diagnosed in utero to have some hereditary error of metabolism.
• The fetus is detected to be at increased risk for a NTD.

Benefits of Prenatal Diagnosis

The benefits of prenatal diagnosis are as follows:

• Prenatal diagnosis determines the outcome of pregnancy.
• It is helpful for couples to decide whether to continue the pregnancy.
• It indicates possible complications that can arise at birth process.
• Prenatal diagnosis is helpful for the management of remaining weeks of pregnancy.
• It prepares the couple for the birth of a child with an abnormality.
• Prenatal diagnosis can be helpful for the improvement of the outcome of pregnancy using fetal treatment.

Multimedia

Media file 1: Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Karyotype showing normal male chromosomal constitution (46, XY).

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Karyotype showing normal male chromosomal constitution (46, XY).

Media file 2: Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Karyotype showing trisomy 21 (47, XY, +21) in a male.

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Karyotype showing trisomy 21 (47, XY, +21) in a male.

Media file 3: Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Segregation of haplotypes for 10 markers (M1-M10) in a family. Diseased haplotype, as indicated by red bars, is shared by all of the affected individuals (filled circles and squares) and by none of the unaffected individuals (unfilled circles and squares).

Prenatal diagnosis for congenital malformations and genetic disorders. Segregation of haplotypes for 10 markers (M1-M10) in a family. Diseased haplotype, as indicated by red bars, is shared by all of the affected individuals (filled circles and squares) and by none of the unaffected individuals (unfilled circles and squares).

References Romain M, Awoust J, Dugauquier C, Van Maldergem L. Prenatal ultrasound detection of congenital cataract in trisomy 21. Prenat Diagn. Aug 1999;19(8):780-2. [Medline]. Aslan H, Gul A, Polat I, Mutaf C, Agar M, Ceylan Y. Prenatal diagnosis of Neu-Laxova syndrome: a case report. BMC Pregnancy Childbirth. 2002;2(1):1. [Medline]. Copel JA, Pilu G, Green J, Hobbins JC, Kleinman CS. Fetal echocardiographic screening for congenital heart disease: the importance of the four-chamber view. Am J Obstet Gynecol. Sep 1987;157(3):648-55. [Medline]. Saygili A, Tiker F, Bagis T, Barutcu O. Absent pulmonary valve syndrome diagnosed by fetal echocardiography. Turk J Pediatr. Jan-Mar 2004;46(1):88-91. [Medline]. Glenn OA, Norton ME, Goldstein RB, Barkovich AJ. Prenatal diagnosis of polymicrogyria by fetal magnetic resonance imaging in monochorionic cotwin death. J Ultrasound Med. May 2005;24(5):711-6. [Medline]. Nadel AS, Green JK, Holmes LB, Frigoletto FD Jr, Benacerraf BR. Absence of need for amniocentesis in patients with elevated levels of maternal serum alpha-fetoprotein and normal ultrasonographic examinations. N Engl J Med. Aug 30 1990;323(9):557-61. [Medline]. Merkatz IR, Nitowsky HM, Macri JN, Johnson WE. An association between low maternal serum alpha-fetoprotein and fetal chromosomal abnormalities. Am J Obstet Gynecol. Apr 1 1984;148(7):886-94. [Medline]. Hsu JJ, Hsieh TT, Hsieh FJ. Down syndrome screening in an Asian population using alpha-fetoprotein and free beta-hCG: a report of the Taiwan Down Syndrome Screening Group. Obstet Gynecol. Jun 1996;87(6):943-7. [Medline]. Haddow JE, Palomaki GE, Knight GJ, et al. Prenatal screening for Down's syndrome with use of maternal serum markers. N Engl J Med. Aug 27 1992;327(9):588-93. [Medline]. Phillips OP, Elias S, Shulman LP, Andersen RN, Morgan CD, Simpson JL. Maternal serum screening for fetal Down syndrome in women less than 35 years of age using alpha-fetoprotein, hCG, and unconjugated estriol: a prospective 2-year study. Obstet Gynecol. Sep 1992;80(3 Pt 1):353-8. [Medline]. Bogart MH, Pandian MR, Jones OW. Abnormal maternal serum chorionic gonadotropin levels in pregnancies with fetal chromosome abnormalities. Prenat Diagn. Nov 1987;7(9):623-30. [Medline]. Orlandi F, Damiani G, Jakil C, Lauricella S, Bertolino O, Maggio A. The risks of early cordocentesis (12-21 weeks): analysis of 500 procedures. Prenat Diagn. Jul 1990;10(7):425-8. [Medline]. Daffos F, Forestier F, Grangeot-Keros L, et al. Prenatal diagnosis of congenital rubella. Lancet. Jul 7 1984;2(8393):1-3. [Medline]. Daffos F, Capella-Pavlovsky M, Forestier F. Fetal blood sampling during pregnancy with use of a needle guided by ultrasound: a study of 606 consecutive cases. Am J Obstet Gynecol. Nov 15 1985;153(6):655-60. [Medline]. Cullen MT, Reece EA, Whetham J, Hobbins JC. Embryoscopy: description and utility of a new technique. Am J Obstet Gynecol. Jan 1990;162(1):82-6. [Medline]. Galjaard H. Fetal diagnosis of inborn errors of metabolism. Baillieres Clin Obstet Gynaecol. Sep 1987;1(3):547-67. [Medline]. Burton BK, Schulz CJ, Burd LI. Limb anomalies associated with chorionic villus sampling. Obstet Gynecol. May 1992;79(5 (Pt 1)):726-30. [Medline]. Wang BB, Rubin CH, Williams J 3rd. Mosaicism in chorionic villus sampling: an analysis of incidence and chromosomes involved in 2612 consecutive cases. Prenat Diagn. Mar 1993;13(3):179-90. [Medline]. Holzgreve W, Golbus MS. Prenatal diagnosis of ornithine transcarbamylase deficiency utilizing fetal liver biopsy. Am J Hum Genet. Mar 1984;36(2):320-8. [Medline]. Golbus MS, Simpson TJ, Koresawa M, Appelman Z, Alpers CE. The prenatal determination of glucose-6-phosphatase activity by fetal liver biopsy. Prenat Diagn. Jul 1988;8(6):401-4. [Medline]. Anton-Lamprecht I. Genetically induced abnormalities of epidermal differentiation and ultrastructure in ichthyoses and epidermolyses: pathogenesis, heterogeneity, fetal manifestation, and prenatal diagnosis. J Invest Dermatol. Jul 1983;81(1 Suppl):149s-56s. [Medline]. Piceni Sereni L, Bachmann C, Pfister U, Buscaglia M, Nicolini U. Prenatal diagnosis of carbamoyl-phosphate synthetase deficiency by fetal liver biopsy. Prenat Diagn. May 1988;8(4):307-9. [Medline]. Simpson JL, Elias S. Fetal skin, liver and muscle sampling. In: Simpson JL, Elias S, eds. Essentials of Prenatal Diagnosis. Churchill Livingstone Inc; 1993:77. Handyside AH, Lesko JG, Tarín JJ, Winston RM, Hughes MR. Birth of a normal girl after in vitro fertilization and preimplantation diagnostic testing for cystic fibrosis. N Engl J Med. Sep 24 1992;327(13):905-9. [Medline]. Trask BJ. Fluorescence in situ hybridization: applications in cytogenetics and gene mapping. Trends Genet. May 1991;7(5):149-54. [Medline]. Elias S, Price J, Dockter M, et al. First trimester prenatal diagnosis of trisomy 21 in fetal cells from maternal blood. Lancet. Oct 24 1992;340(8826):1033. [Medline]. Tkachuk DC, Westbrook CA, Andreeff M, et al. Detection of bcr-abl fusion in chronic myelogeneous leukemia by in situ hybridization. Science. Oct 26 1990;250(4980):559-62. [Medline]. Kuwano A, Ledbetter SA, Dobyns WB, Emanuel BS, Ledbetter DH. Detection of deletions and cryptic translocations in Miller-Dieker syndrome by in situ hybridization. Am J Hum Genet. Oct 1991;49(4):707-14. [Medline]. Yunis JJ, Ramsay N. Retinoblastoma and subband deletion of chromosome 13. Am J Dis Child. Feb 1978;132(2):161-3. [Medline]. Antonarakis SE. Diagnosis of genetic disorders at the DNA level. N Engl J Med. Jan 19 1989;320(3):153-63. [Medline]. Carter JM, McLean WH, West S, Quinlan RA. Mapping of the human CP49 gene and identification of an intragenic polymorphic marker to allow genetic linkage analysis in autosomal dominant congenital cataract. Biochem Biophys Res Commun. Apr 13 2000;270(2):432-6. [Medline]. Toudjarska I, Kilpatrick MW, Lembessis P, et al. Novel approach to the molecular diagnosis of Marfan syndrome: application to sporadic cases and in prenatal diagnosis. Am J Med Genet. Apr 1 2001;99(4):294-302. [Medline]. Churchill AJ, Hanson IM, Markham AF. Prenatal diagnosis of aniridia. Ophthalmology. Jun 2000;107(6):1153-6. [Medline]. Aslan H, Ulker V, Ulker N, et al. Prenatal diagnosis of thanatophoric dysplasia in second trimester. Turk J Med Sci. 2002;261. Daffos F, Forestier F, Capella-et al. Prenatal management of 746 pregnancies at risk for congenital toxoplasmosis. N Engl J Med. Feb 4 1988;318(5):271-5. [Medline]. Pinar H. Postmortem findings in term neonates. Semin Neonatol. Aug 2004;9(4):289-302. [Medline].