Luận án Tiến sĩ Y học: Dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương và kết quả ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc trước sinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Y học "Dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương và kết quả ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc trước sinh" trình bày các nội dung chính sau: Mô tả một số đặc điểm dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám và sàng lọc trước sinh tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương giai đoạn 2012-2022; Đánh giá kết quả ứng dụng phần mềm hệ tri thức chuyên gia và phần mềm học máy trong sàng lọc trước sinh bệnh tan máu bẩm sinh tại bệnh viện Phụ sản Trung ương.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Y học: Dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương và kết quả ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc trước sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ VIỆN SỐT RÉT – KÝ SINH TRÙNG – CÔN TRÙNG TRUNG ƯƠNG NGUYỄN BÁ TÙNG DỊCH TỄ LÂM SÀNG, BIẾN THỂ GEN THALASSEMIA GÂY TAN MÁU BẨM SINH Ở CÁC CẶP VỢ CHỒNG ĐẾN KHÁM TẠI BỆNH VIỆN PHỤ SẢN TRUNG ƯƠNG VÀ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG SÀNG LỌC TRƯỚC SINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Y HỌC Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ VIỆN SỐT RÉT – KÝ SINH TRÙNG – CÔN TRÙNG TRUNG ƯƠNG NGUYỄN BÁ TÙNG DỊCH TỄ LÂM SÀNG, BIẾN THỂ GEN THALASSEMIA GÂY TAN MÁU BẨM SINH Ở CÁC CẶP VỢ CHỒNG ĐẾN KHÁM TẠI BỆNH VIỆN PHỤ SẢN TRUNG ƯƠNG VÀ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG SÀNG LỌC TRƯỚC SINH Chuyên ngành: Dịch tễ học Mã số: 9720117 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Y HỌC Cán bộ hướng dẫn: 1. PGS.TS. Nguyễn Tuấn Hưng 2. PGS.TS. Nguyễn Thị Trang Hà Nội – 2023
i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Thầy, PGS.TS. Nguyễn Tuấn Hưng, Phó Vụ Trưởng Vụ Tổ chức cán bộ Bộ Y tế và Cô, PGS.TS. Nguyễn Thị Trang, giảng viên cao cấp Bộ môn Y sinh học - Di truyền trường Đại học Y Hà Nội đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn em hoàn thành luận án này. Tập thể các anh chị đang công tác tại Trung Tâm Chẩn đoán trước sinh – Bệnh viện Phụ sản Trung ương đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Các thầy cô, anh chị đang giảng dạy và làm việc tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Các quý thầy cô trong Ban Giám đốc, PhòngKhoa học và Đào tạo - Viện Sốt rét-Ký sinh trùng-Côn trùng Trung ương đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình hoàn thành luận án. Gia đình, anh chị em đã luôn ở bên cạnh đồng hành, động viên và hỗ trợ tôi mọi điều tốt nhất trong suốt chặng đường học tập, làm việc và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Bá Tùng
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Bá Tùng, nghiên cứu sinh khóa 13, Viện Sốt rét – Ký sinh trùng – Côn trùng - Trung ương, chuyên ngành Dịch tễ học, xin cam đoan: 1. Đây là luận án do bản thân tôi trực tiếp thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Tuấn Hưng và PGS.TS. Nguyễn Thị Trang. 2. Công trình này không trùng lặp với bất kỳ nghiên cứu nào khác đã được công bố tại Việt Nam. 3. Các số liệu và thông tin trong nghiên cứu là hoàn toàn chính xác, trung thực và khách quan, đã được xác nhận và chấp thuận của cơ sở nơi nghiên cứu. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những cam kết này. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Bá Tùng
iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AI Artificial intelligence Trí tuệ nhân tạo ANN Artificial neural network Mạng nơron nhân tạo ARMS- Amplification Refractory Hệ thống khuyếch đại đột biến PCR Mutation System – Polymerase trơ – Phản ứng chuỗi Chain Reaction polymerase AUC Area Under The Curve Mức độ phân loại của mô hình CNN Convolutional neural networks Mạng nơron tích chập CTM Công thức máu DFO Desferrioxamine FDA Food and Drug Administration Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ FN False negative Âm tính giả FP False positive Dương tính giả Hb Hemoglobin Huyết sắc tố Hb Bart’s Hemoglobin Bart’s HBA Gen quy định tổng hợp chuỗi α globin HBB Gen quy định tổng hợp chuỗi β globin HbE Hemoglobin E HbH Hemoglobin H HCG Human chrionic gonadotropin Hormon HCG HLA Human Leukocyte Antigen Kháng nguyên bạch cầu người MCH Mean corpuscular hemoglobin Lượng hemoglobin trung bình hồng cầu
iv Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt MCHC Mean Corpuscular Nồng độ hemoglobin trung bình Hemoglobin Concentration hồng cầu MCV Mean corpuscular volume Thể tích trung bình hồng cầu MDA Decrease in Accuracy Độ chính xác giảm trung bình MDI Mean Decrease in Impurity Tạp nhiễu giảm trung bình RDW Red cell Distribution With Mức độ đồng đều về kích thước hồng cầu RBC Red blood Số lượng hồng cầu RUC Receiver Operating Đường cong biểu diễn xác suất Characteristics NPV Negative Predicted Value Giá trị dự báo âm tính PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi polymerase PPV Positive Predicted Value Giá trị dự báo dương tính SMOTE Synthetic Minority Kỹ thuật lấy mẫu quá mức Oversampling Technique TIF Thalassemia International Hiệp hội Thalassemia quốc tế Federation TN True negative Âm tính thật TP True positive Dương tính thật TTNT Trí tuệ nhân tạo WHO World Health Organization Tổ chức y tế thế giới
v MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4 1.1. Bệnh Thalassemia (tan máu bẩm sinh) ................................................... 4 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của hemoglobin và gen globin ............................. 4 1.1.2. Cơ sở phân tử và phân loại bệnh Thalassemia ................................. 5 1.1.3. Cơ chế bệnh sinh và biểu hiện lâm sàng........................................... 9 1.1.4. Điều trị bệnh Thalassemia .............................................................. 13 1.1.5. Sàng lọc bệnh tan máu bẩm sinh trong cộng đồng ......................... 15 1.2. Dịch tễ học Thalassemia ....................................................................... 19 1.2.1. Đặc điểm dịch tễ học Thalassemia trên thế giới và Việt Nam ....... 19 1.2.2. Đặc điểm phân bố vùng của Thalassemia tại Việt Nam ................. 22 1.2.3. Một số yếu tố nguy cơ ảnh hưởng đến tỷ lệ mang gen Thalassemia tại Việt Nam .............................................................................................. 24 1.3. Trí tuệ nhân tạo và ứng dụng trong y tế, sàng lọc trước sinh Thalassemia tại Việt Nam. ........................................................................... 25 1.3.1. Định nghĩa trí tuệ nhân tạo ............................................................. 25 1.3.2. Trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực y tế ................................................ 25 1.3.3. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc trước sinh Thalassemia . 29 1.3.4. Đánh giá giá trị của phần mềm ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc trước sinh Thalassemia ....................................................................... 31 1.4. Giới thiệu địa bàn nghiên cứu ............................................................... 35 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 37 2.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 37 2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ......................................................... 37 2.3. Thiết kế nghiên cứu............................................................................... 37 2.3.1. Thiết kế nghiên cứu ........................................................................ 37 2.3.2. Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu ................................................ 38
vi 2.4. Nội dung, biến số và chỉ số nghiên cứu ................................................ 41 2.4.1. Nội dung nghiên cứu....................................................................... 41 2.4.2. Các biến số, chỉ số nghiên cứu ....................................................... 41 2.5. Quy trình, phương pháp thu thập thông tin........................................... 46 2.5.1. Quy trình nghiên cứu ...................................................................... 46 2.5.2. Tiêu chuẩn đánh giá, kỹ thuật trong nghiên cứu ............................ 48 2.6. Phân tích số liệu và phiên giải kết quả.................................................. 51 2.7. Sai số và cách khắc phục ...................................................................... 51 2.7.1. Các loại sai số ................................................................................. 51 2.7.2. Cách khắc phục sai số ..................................................................... 52 2.8. Đạo đức nghiên cứu .............................................................................. 52 2.9. Sơ đồ nghiên cứu .................................................................................. 53 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................ 54 3.1. Một số đặc điểm dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám và sàng lọc trước sinh tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương giai đoạn 2012-2022 ........................................... 54 3.1.1. Tỷ lệ mang gen Thalassemia.............................................................. 54 3.1.2. Một số đặc điểm dịch tễ học, lâm sàng, cận lâm sàng trên những người mang gen bệnh tan máu bẩm sinh .................................................. 58 3.2. Kết quả phần mềm trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc bệnh tan máu bẩm sinh ............................................................................................................... 77 3.2.1 Kết quả của phần mềm cơ sở tri thức chuyên gia ............................ 77 3.2.2. Kết quả của phần mềm học máy ..................................................... 81 CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN ............................................................................ 84 4.1. Một số đặc điểm dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám và sàng lọc trước sinh tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương giai đoạn 2012-2022 ........................................... 84 4.2. Kết quả phần mềm trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc bệnh tan máu bẩm sinh ............................................................................................................. 104
vii 4.2.1. Kết quả của phần mềm cơ sở tri thức chuyên gia (HCG) trong sàng lọc bệnh tan máu bẩm sinh ..................................................................... 105 4.2.2. Kết quả của phần mềm học máy trong sàng lọc bệnh tan máu bẩm sinh .......................................................................................................... 109 4.3. Hạn chế trong nghiên cứu ................................................................... 114 KẾT LUẬN .................................................................................................. 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hai mươi mốt đột biến α-thalassemia................................................. 6 Bảng 1.2. Hai mươi hai đột biến β-thalassemia .................................................. 8 Bảng 1.3. Tỷ lệ mắc và mang gen β - thalassemia tại một số quốc gia Châu Á ........................................................................................................ 21 Bảng 1.4. Ước tính tỷ lệ trẻ sinh ra bị bệnh thalassemia trong 1000 ca sinh của các tỉnh........................................................................................ 23 Bảng 1.5. Kết luận của hệ thống sàng lọc thalassemia bằng trí tuệ nhân tạo ... 32 Bảng 2.1. Biến số nghiên cứu ........................................................................... 41 Bảng 2.2. Các chỉ số ferritin huyết thanh theo mức độ quá tải sắt ................... 49 Bảng 3.1. Tỷ lệ người mang gen thalassemia được sàng lọc ............................ 54 Bảng 3.2. Tỷ lệ cả hai vợ chồng cùng mang gen thalassemia được sàng lọc ... 55 Bảng 3.3. Phân bố các loại đột biến gen α-thalassemia của thai phụ và chồng đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương .............................. 56 Bảng 3.4. Phân bố các loại đột biến gen β-thalassemia của thai phụ và chồng đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương .............................. 57 Bảng 3.5. Đặc điểm khu vực của các đột biến α-thalassemia trên thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương .............................. 58 Bảng 3.6. Phân bố khu vực của các đột biến α-thalassemia trên thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương ..................................... 59 Bảng 3.7. Phân bố khu vực của các đột biến β-thalassemia trên thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương ..................................... 60 Bảng 3.8. Phân bố dân tộc của thai phụ đến sàng lọc thalassemia tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương .................................................................. 61 Bảng 3.9. Đặc điểm dân tộc của các thể thalassemia ở thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương ................................................... 62 Bảng 3.10. Tỷ suất mang gen thalalassemia theo dân tộc ở các thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương ..................................... 63 Bảng 3.11. Phân bố dân tộc của các đột biến α-thalassemia trên thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương ..................................... 64 Bảng 3.12. Phân bố dân tộc của các đột biến β-thalassemia trên thai phụ đến sàng lọc tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương ..................................... 65
ix Bảng 3.13. Trung bình các chỉ số công thức máu ở thai phụ............................ 68 Bảng 3.14. Trung bình các chỉ số công thức máu ở người chồng .................... 69 Bảng 3.15. Trung bình các chỉ số công thức máu ở thai phụ............................ 70 Bảng 3.16. Trung bình các chỉ số công thức máu ở người chồng các thể ........ 71 Bảng 3.17. Trung bình các chỉ số công thức máu ở người mang gen α phối hợp với β-thalassemia ....................................................................... 72 Bảng 3.18. Trung bình sắt và ferritin huyết thanh giữa người mang gen và không mang gen thalassemia ............................................................ 73 Bảng 3.19. Đặc điểm sắt và ferritin huyết thanh giữa người mang gen và không mang gen thalassemia ............................................................ 74 Bảng 3.20. Tỉ lệ thai phụ mang gen bệnh theo các phương pháp sàng lọc....... 75 Bảng 3.21. Tỉ lệ người chồng mang gen bệnh theo các phương pháp sàng lọc 76 Bảng 3.22. Phân bố tỷ lệ mang gen α và β thalassemia được sàng lọc ............ 77 Bảng 3.23. Kết luận của hệ tri thức chuyên gia về tình trạng công thức máu của đối tượng thử nghiệm ................................................................. 78 Bảng 3.24. Kết luận của hệ tri thức chuyên gia về tình trạng sắt ..................... 79 Bảng 3.25. Giá trị sàng lọc của phần mềm hcg so với chẩn đoán .................... 79 Bảng 3.26. Giá trị chẩn đoán của phần mềm hcg với kết quả xét nghiệm gen. 80 Bảng 3.27. Đánh giá kết quả của hệ tri thức chuyên gia trong chẩn đoán........ 81 Bảng 3.28. Kết quả dự báo người mang gen của mô hình học máy ................. 82 Bảng 3.29. Giá trị sàng lọc của mô hình học máy so với chẩn đoán ................ 82 Bảng 3.30. Giá trị chẩn đoán của mô hình học máy so với xét nghiệm gen .... 83 Bảng 3.31. Đánh giá giá trị của phần mềm học máy trong chẩn đoán người mang gen thalassemia ....................................................................... 83
x DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu tạo phân tử hemoglobin ............................................................... 4 Hình 1.2. Sơ đồ các gen globin trên nhiễm sắc thể............................................. 5 Hình 1.3. Cơ chế bệnh sinh bệnh thalassemia .................................................. 10 Hình 1.4. Hình ảnh x-quang xương mặt-sọ bệnh nhân β-thalassemia .............. 11 Hình 1.5. Hướng dẫn sàng lọc và chẩn đoán trước sinh ................................... 17 Hình 1.6. Kiến trúc cơ bản của các phương pháp học máy có giám sát ........... 27 Hình 1.7. Kiến trúc cơ bản của một hệ chuyên gia ........................................... 28 Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu............................................................................... 53 Hình 3.1. Tỷ lệ các nhóm tuổi của thai phụ đến sàng lọc thalassemia tại ........ 66 Hình 3.2. Tỷ lệ nhóm tuổi của thai phụ mang gen α và β thalassemia được .... 67 Hình 3.3. Tiền sử sinh con mang gen thalassemia của các cặp vợ chồng tham gia sàng lọc tại bvpstư..................................................................... 68 Hình 3.4. Đường cong roc về xác suất dự báo của các mô hình học máy ........ 81 Hình phụ lục 1. Kết quả dự báo nguy cơ người mang đột biến thalassemia của phần mềm hệ tri thức chuyên gia ........................................... 140 Hình phụ lục 2. Giao diện phần mềm học máy............................................... 140 Hình phụ lục 3. Giao diện dự báo kết quả phần mềm học máy ...................... 140
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Bệnh tan máu bẩm sinh (Thalassemia) hay còn gọi bệnh thiếu máu di truyền, là bệnh đơn gen di truyền lặn trên nhiễm sắc thể thường phổ biến nhất trên thế giới. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) năm 2018, khoảng 5,2% người dân mang gen bệnh Thalassemia, 1,1% các cặp vợ chồng có nguy cơ sinh con mắc rối loạn huyết sắc tố và 2,7/1000 trường hợp thụ thai bị ảnh hưởng [1]. Ở Việt Nam, khoảng 7-10% dân số mang gen bệnh, 20.000 người bị Thalassemia thể nặng và mỗi năm có khoảng trên 2.000 trẻ sinh ra bị mắc Thalassemia [2]. Thalassemia bao gồm hai thể chính là alpha (α) Thalassemia và beta (β) Thalassemia. Alpha Thalassemia xuất hiện ở tất cả các khu vực với tỷ lệ mang gen bệnh khoảng 5% [3]. Thể bệnh nặng nhất là phù thai Hb Bart’s có nguy cơ gây tiền sản giật, băng huyết sau đẻ ở mẹ và thai chết trong tử cung hoặc ngay sau sinh [4]. Beta Thalassemia có biểu hiện thiếu máu tan máu nặng nề với nhiều biến chứng ở khắp các cơ quan trên cơ thể nên cần điều trị truyền máu và thải sắt suốt đời [5]. Để phòng bệnh, cần sàng lọc càng sớm càng tốt để biết chính xác loại đột biến và đặc điểm lâm sàng của bệnh. Bên cạnh đó, các phương pháp điều trị Thalassemia hiện đại như liệu pháp gen, liệu pháp tế bào gốc, sử dụng các thuốc tăng cảm ứng tổng hợp chuỗi gamma globin [6]. Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence – AI) đang dẫn đầu xu thế ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực y tế. Trên thế giới, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc người mang gen Thalassemia góp phần cải thiện chất lượng và độ chính xác của việc phát hiện, phân loại và chẩn đoán trước sinh Thalassemia. Phương pháp học máy tỏ ra ưu thế với nhiều thuật toán đã được chứng minh hiệu quả và tính khả thi cao. Một số thuật toán học máy, chẳng hạn như Decision tree, J48, SVM, KNN và ANN, cung cấp độ chính xác tốt trong việc phát hiện và dự đoán bệnh Thalassemia. Ngoài ra, việc sử dụng các thuật toán học máy kết hợp có thể tăng độ chính xác và hiệu quả, đồng thời có thể nghiên cứu thêm các thông số để cải thiện hiệu suất so với kỹ thuật
2 hiện tại [7]. Năm 2013, Guy Barnhart – Magen và cộng sự dựa vào 3 chỉ số thể tích trung bình hồng cầu (MCV), số lượng hồng cầu (RDW), mức độ đồng đều về kích thước hồng cầu (RBC) trong công thức máu để phân biệt bệnh nhân thể nhẹ với nhóm chứng và nhóm rối loạn sinh tuỷ với độ đặc hiệu 0,967, độ nhạy là 1 [8]. Có thể thấy, việc xây dựng và áp dụng hệ thống trí tuệ nhân tạo trong tầm soát các bất thường bẩm sinh sẽ góp phần nâng cao chất lượng của tầm soát trước sinh tại Việt Nam. Ở Việt Nam, Quyết định 1807/QĐ-BYT ban hành tháng 4/2020 của Bộ y tế giúp hướng dẫn sàng lọc Thalassemia trước sinh trong ba tháng đầu của thai kỳ đối với các cặp vợ chồng để xác định sớm nguy cơ người mang gen và có dự phòng, can thiệp kịp thời [9]. Tuy nhiên, việc sàng lọc trước sinh bệnh Thalassemia cho tất cả thai phụ tại Việt Nam còn gặp nhiều khó khăn và tốn kém, đặc biệt các các tuyến dưới hoặc các vùng dân tộc thiểu số bởi sự hiểu biết về bệnh Thalassemia còn hạn chế. Vì vậy, phần mềm trí tuệ nhân tạo ra đời nhằm hỗ trợ cho các nhân viên y tế trong việc sàng lọc nguy cơ mắc Thalassemia ở thai phụ từ việc phân tích đồng thời nhiều chỉ số huyết học, kết hợp với tiền sử gia đình, tiền sử sản khoa, góp phần làm tăng giá trị sàng lọc, ngoài ra còn có khả năng phân tích dữ liệu lớn, tự động giúp đẩy nhanh thời gian trả kết quả và giảm sự ảnh hưởng bởi trình độ chuyên môn và kinh nghiệm của các bác sĩ trong việc đánh giá kết quả. Tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương, các nghiên cứu đặc điểm dịch tễ lâm sàng, sàng lọc trước sinh bệnh Thalassemia cũng như ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc phát hiện gen bệnh trên cả vợ chồng có tính cấp thiết. Vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu: Dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương và kết quả ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong sàng lọc trước sinh, với 2 mục tiêu sau: 1. Mô tả một số đặc điểm dịch tễ lâm sàng, biến thể gen Thalassemia gây tan máu bẩm sinh ở các cặp vợ chồng đến khám và sàng lọc trước sinh tại Bệnh viện Phụ sản Trung ương giai đoạn 2012-2022
3 2. Đánh giá kết quả ứng dụng phần mềm hệ tri thức chuyên gia và phần mềm học máy trong sàng lọc trước sinh bệnh tan máu bẩm sinh tại bệnh viện Phụ sản Trung ương.
4 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Bệnh Thalassemia (tan máu bẩm sinh) 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của hemoglobin và gen globin Hemoglobin là một protein trong hồng cầu có chức năng vận chuyển oxy từ phổi đến các mô trong cơ thể. Về mặt cấu trúc, hemoglobin là một tetramere được cấu tạo từ 4 monomere. Mỗi monomere gồm 2 thành phần là nhân Hem và globin. Hem gồm 1 vòng porphyrin gắn với Fe2+ ở chính giữa, có sắc tố đỏ, giống nhau ở mọi loài. Globin có nhiều loại và mỗi phân tử hemoglobin sẽ gồm 4 chuỗi globin thuộc 2 loại nhất định, từ đó hình thành nên các loại hemoglobin khác nhau. Ở người trưởng thành có 4 loại globin là α, β, δ và γ, tương ứng tạo ra HbA (2 chuỗi α, 2 chuỗi β), HbA2 (2 chuỗi α, 2 chuỗi δ) và HbF (2 chuỗi α, 2 chuỗi γ). Hình 1.1. Cấu tạo phân tử Hemoglobin [10] Gen quy đinh tổng hợp globin α nằm trên nhánh ngắn nhiễm sắc thể số 16, gồm 4 gen, mỗi nhiễm sắc thể chứa 2 gen α1 và gen α2 (HBA1 và HBA2). Gen quy đinh tổng hợp globin β nằm trên nhánh ngắn nhiễm sắc thể số 11, cùng với các gen quy định chuỗi ϵ, γ và δ, và mỗi nhiễm sắc thể chỉ chứa 1 gen β (HBB). Ở
5 người bình thường tất cả các gen globin đều cùng hoạt động nhằm tổng hợp lượng Hb đầy đủ để thực hiện chức năng vận chuyển oxy trong cơ thể. Hình 1.2. Sơ đồ các gen globin trên nhiễm sắc thể [11] 1.1.2. Cơ sở phân tử và phân loại bệnh Thalassemia Gen globin bị đột biến làm giảm hoặc mất khả năng tổng hợp chuỗi globin, từ đó làm giảm số lượng chuỗi globin có chức năng bình thường gây ra bệnh Thalassemia. Thiếu hoặc không có chuỗi α-globin gọi là α- thalassemia, thiếu hoặc không có chuỗi β-globin gọi là β-thalassemia [10]. 1.1.2.1. Alpha-thalassemia Các đột biến gây ra bệnh α-thalassemia chủ yếu là đột biến mất gen α-globin [11], bên cạnh đó còn có các đột biến điểm làm thay đổi cấu trúc, chức năng của chuỗi globin α, dẫn đến hình thành các chuỗi polypeptid bất thường. Số lượng gen bị đột biến càng nhiều thì số lượng chuỗi α bình thường càng giảm và biểu hiện lâm sàng của bệnh càng nặng. Các kiểu đột biến bao gồm: - Đột biến α+-thalassemia: là đột biến làm mất một gen α hoặc đột biến điểm trên một nhiễm sắc thể. Ví dụ -α3.7, -α 4.2 là mất đoạn gen α có độ dài tương ứng là 3.7 kb và 4.2 kb. Đây cũng là hai kiểu đột biến đột biến α+-thalassemia phổ biến nhất, phân bố rộng rãi trên thế giới [2], [12].
6 - Đột biến α0-thalassemia: đột biến mất hai gen α trên một nhiễm sắc thể, bao gồm mất hoàn toàn cả hai gen hoặc mất cả hai gen α kèm theo gen ζ hoặc mất một phần gen trên cả hai gen, dẫn đến mất hoàn toàn khả năng tổng hợp chuỗi globin α của nhiễm sắc thể đó. Ví dụ các đột biến -- SEA, -- THAI, -- FIL, -- MED phổ biến ở khu vực Đông Nam Á và Địa Trung Hải [13], [14]. - Đột biến không mất đoạn hay đột biến điểm: là đột biến xảy ra tại một hoặc một vài nucleotid làm tổng hợp ra các chuỗi α globin bất thường, bị mất hoặc giảm chức năng. Hiện nay có 69 loại đột biến điểm liên quan đến biểu hiện của gen α đã được xác định. Đột biến HbCs là loại đột biến điểm phổ biến nhất ở Đông Nam Á [15]. Nguyên nhân của loại đột biến này là sự thay thế T thành C ở bộ ba kết thúc dịch mã làm quá trình dịch mã không ngừng lại, kết quả chuỗi polypeptid tạo ra bị kéo dài thêm 31 acid amin so với chuỗi ban đầu, vì vậy tạo ra loại Hb có tên là Constant Spring. Ngoài ra còn đột biến HbQs (Quong Sze) cũng là đột biến điểm trên gen α 2 tại codon 125, thay thế T thành C khiến chuỗi polypeptid không bền và dễ bị tan vỡ. Bảng 1.1. Hai mươi mốt đột biến α-thalassemia [11] Đột biến α- Đột biến α- Đột biến α-thalassemia thalassemia thalassemia α2 cd 125 [CTG>CCG] 3.7 (mất đoạn đơn) anti-3.7 lặp đoạn (3x) (Hb Quong Sze) α2 cd 142 [TAA>CAA] 4.2 (mất đoạn đơn) α1 cd 14 [TGG>TAG] (HB Constant Spring) α1 cd 59[GGC>GAC] α2 cd 142 [TAA>AAA] MED (mất đoạn kép) (Hb Adana) (HB Icaria) α2 cd 142 [TAA>TAT] SEA (mất đoạn kép) α2 init cd [ATG>ACG] (HB Pakse) α2 cd 142 [TAA>TCA] THAL (mất đoạn kép) α2 cd 19 [-G] (Hb Koya Dora) α2 poly A-1 FIL (mất đoạn kép) α2 IVS1 [-5nt] [AATAAAAATAAG] α2 poly A-2 20.5 kb (mất đoạn kép) α2 cd 59 [GGC>GAC] [AATAAAAATGAA]
7 Như vậy, dựa vào số gen α trên cả hai nhiễm sắc thể bị đột biến mà biểu hiện ra các thể lâm sàng với mức độ nặng nhẹ khác nhau. - Thể ẩn hay thể thầm lặng: nguyên nhân do đột biến của một gen trên tổng bốn gen α (có thể là mất đoạn hoặc đột biến điểm). Bệnh nhân mắc thể này không có biểu hiện trên lâm sàng, các chỉ số huyết học và thành phần huyết sắc tố không đổi. Đây còn là thể nguời lành mang bệnh, bệnh nhân có thể không biết mình mang gen đột biến nhưng vẫn có thể truyền lại gen bệnh cho các thế hệ sau. - Thể nhẹ (thể trait): do hai gen α bị đột biến và kiểu gen có thể ở hai dạng: - α/-α (dạng trans đồng hợp tử α+-thalassemia: hay gặp ở Châu Phi) hoặc --/αα (dạng cis- dị hợp tử α0-thalassemia: hay gặp ở Đông Nam Á) [16]. Bệnh nhân không có biểu hiện lâm sàng nhưng MCV và MCH giảm. Đặc biệt dạng --/αα chứa nhiễm sắc thể không có gen α nào nếu hai vợ chồng có cùng kiểu gen này sẽ có nguy cơ sinh con mang kiểu gen --/-- và gây tình trạng phù thai. - Thể trung gian (bệnh Hemoglobin H hay HbH): trong bốn gen α chỉ có một gen hoạt động bình thường, có kiểu gen α-/--, gọi là dị hợp tử kép 0-+- thalassemia. Ở những bệnh nhân này, do số lượng chuỗi α sản xuất không đủ để tạo nên HbA (α2β2) nên có sự tăng sản xuất chuỗi β globin để bù trừ. Lượng β globin dư thừa sẽ kết hợp lại với nhau tạo thành một loại hemoglobin có tên là HbH gồm bốn chuỗi β hợp thành. Đây là loại Hb không bền nên hồng cầu của người bệnh HbH dễ bị phá hủy hơn, đời sống ngắn hơn bình thường dẫn đến thiếu máu vừa hoặc nặng ngay từ lúc mới sinh, MCV và MCH giảm, xét nghiệm máu xuất hiện HbH. - Thể phù thai: Đây là thể bệnh mà tất cả các gen α đều bị đột biến, với kiểu gen là --/-- (đồng hợp tử α0-thal) dẫn đến hoàn toàn không tổng hợp được chuỗi α. Ở giai đoạn đầu bào thai vẫn phát triển bình thường do có gen ζ hoạt động tổng hợp nên Hb Portland (ζ2γ2). Đây là loại Hb có khả năng vận chuyển oxy để cung cấp cho các mô trong cơ thể. Sau đó gen ζ sẽ dần ngừng hoạt động và khi không còn globin ζ, các chuỗi γ sẽ kết hợp với nhau tạo thành Hb Bart’s (4γ). Hb Bart’s là
8 loại Hb không có khả năng vận chuyển oxy nên không thể duy trì sự sống cho cơ thể, dẫn đến tình trạng phù thai, phù rau thai. Thai có biểu hiện phù toàn thân, gan lách to, suy tim, thiếu máu nặng, hồng cầu nhỏ, nhược sắc, hình bia bắn, nhiều hồng cầu non, điện di Hb chủ yếu là Hb Bart’s, hậu quả là thai chết khi còn trong tử cung hoặc ngay sau sinh. 1.1.2.2. β-thalassemia Đột biến xảy ra trên gen β rất đa dạng, có thể là thay đổi ở 1 base đơn thuần, mất đoạn lớn, bất hoạt gen, đột biến vô nghĩa, đột biến dịch khung, đột biến xảy ra trên vùng điều hoà gen [17]… Các đột biến này chia làm 2 loại: β0 –thalassemia: là các đột biến làm gen β hoàn toàn không có khả năng tổng hợp chuỗi β; β + - thalassemia: là các đột biến làm giảm tổng hợp chuỗi β ở nhiều mức độ khác nhau. Bảng 1.2. Hai mươi hai đột biến β-thalassemia [11] Đột biến β–thalassemia Đột biến β– Đột biến β– thalassemia thalassemia 31 [A>G] codon 19 [A>G] Malay codon 71/72 [+A] 29 [A>G] codon 26 [G>A] HbE codon 89/90 [-GT] 28 [A>G] codon 27/28 [+C] codon 90 [G>T] cap+1 [A>C] IVS 1.1 [G>T] codon 95 [+A] mã khởi đầu [ATG>AGG] IVS 1.5 [G>C] IVS 2.1 [G>A] codon 8/9 [+G] codon 41/42 [TTCT] IVS 2.654 [C>T] codon 15 [TGG>TAG] codon 43 [G>T] codon 121 [G>T] codon 17 [A>T] - Các thể bệnh β-thalassemia bao gồm [16], [17]: + Thể nhẹ (thể Minor): Thể này do một gen β trên 1 nhiễm sắc thể bị đột biến, kiểu gen là ββ+ hoặc ββ0. Bệnh nhân biểu hiện hồng cầu nhỏ nhược sắc (MCV, MCH giảm), đa số có thiếu máu [18]. Xét nghiệm sinh hoá cho thấy sắt, ferritin huyết thanh, độ bão hoà transferrin bình thường. Điện di HbA bình thường hoặc giảm nhẹ, HbA2, HbF tăng nhẹ.