The diagnosis of primary ciliary dyskinesia is often confirmed with standard, albeit complex and expensive, tests. In many cases, however, the diagnosis remains difficult despite the array of sophisticated diagnostic tests. There is no “gold standard” reference test. Hence, a Task Force supported by the European Respiratory Society has developed this guideline to provide evidence-based recommendations on diagnostic testing, especially in light of new developments in such tests, and the need for robust diagnoses of patients who might enter randomised controlled trials of treatments. The guideline is based on pre-defined questions relevant for clinical care, a systematic review of the literature, and assessment of the evidence using the GRADE (Grading of Recommendations, Assessment, Development and Evaluation) approach. It focuses on clinical presentation, nasal nitric oxide, analysis of ciliary beat frequency and pattern by high-speed video-microscopy analysis, transmission electron microscopy, genotyping and immunofluorescence. It then used a modified Delphi survey to develop an algorithm for the use of diagnostic tests to definitively confirm and exclude the diagnosis of primary ciliary dyskinesia; and to provide advice when the diagnosis was not conclusive. Finally, this guideline proposes a set of quality criteria for future research on the validity of diagnostic methods for primary ciliary dyskinesia.

Primary ciliary dyskinesia (PCD) is a genetically heterogeneous inherited disorder arising from dysmotility of motile cilia and sperm. This is associated with a variety of ultrastructural defects of the cilia and sperm axoneme that affect movement, leading to clinical consequences on respiratory-tract mucociliary clearance and lung function, fertility, and left-right body-axis determination. We performed whole-genome SNP-based linkage analysis in seven consanguineous families with PCD and central-microtubular-pair abnormalities. This identified two loci, in two families with intermittent absence of the central-pair structure (chromosome 6p21.1, Zmax 6.7) and in five families with complete absence of the central pair (chromosome 6q22.1, Zmax 7.0). Mutations were subsequently identified in two positional candidate genes, RSPH9 on chromosome 6p21.1 and RSPH4A on chromosome 6q22.1. Haplotype analysis identified a common ancestral founder effect RSPH4A mutation present in UK-Pakistani pedigrees. Both RSPH9 and RSPH4A encode protein components of the axonemal radial spoke head. In situ hybridization of murine Rsph9 shows gene expression restricted to regions containing motile cilia. Investigation of the effect of knockdown or mutations of RSPH9 orthologs in zebrafish and Chlamydomonas indicate that radial spoke head proteins are important in maintaining normal movement in motile, “9+2”-structure cilia and flagella. This effect is rescued by reintroduction of gene expression for restoration of a normal beat pattern in zebrafish. Disturbance in function of these genes was not associated with defects in left-right axis determination in humans or zebrafish. Primary ciliary dyskinesia (PCD) is a genetically heterogeneous inherited disorder arising from dysmotility of motile cilia and sperm. This is associated with a variety of ultrastructural defects of the cilia and sperm axoneme that affect movement, leading to clinical consequences on respiratory-tract mucociliary clearance and lung function, fertility, and left-right body-axis determination. We performed whole-genome SNP-based linkage analysis in seven consanguineous families with PCD and central-microtubular-pair abnormalities. This identified two loci, in two families with intermittent absence of the central-pair structure (chromosome 6p21.1, Zmax 6.7) and in five families with complete absence of the central pair (chromosome 6q22.1, Zmax 7.0). Mutations were subsequently identified in two positional candidate genes, RSPH9 on chromosome 6p21.1 and RSPH4A on chromosome 6q22.1. Haplotype analysis identified a common ancestral founder effect RSPH4A mutation present in UK-Pakistani pedigrees. Both RSPH9 and RSPH4A encode protein components of the axonemal radial spoke head. In situ hybridization of murine Rsph9 shows gene expression restricted to regions containing motile cilia. Investigation of the effect of knockdown or mutations of RSPH9 orthologs in zebrafish and Chlamydomonas indicate that radial spoke head proteins are important in maintaining normal movement in motile, “9+2”-structure cilia and flagella. This effect is rescued by reintroduction of gene expression for restoration of a normal beat pattern in zebrafish. Disturbance in function of these genes was not associated with defects in left-right axis determination in humans or zebrafish.

ABSTRACT Despite advances in prenatal diagnosis, it is still difficult to predict severity and outcomes of many congenital malformations. New patient-specific prenatal disease modelling may optimise personalised prediction. We and others have described the presence of mesenchymal stem cells in amniotic fluid (AFSC) that can generate induced pluripotent stem cells (iPSCs). The lengthy reprogramming processes, however, limits the ability to define individual phenotypes or plan prenatal treatment. Therefore, it would be advantageous if fetal stem cells could be obtained during pregnancy and expanded without reprogramming. Using single cell analysis, we characterised the cellular identities in amniotic fluid (AF) and identified viable epithelial stem/progenitor cells of fetal intestinal, renal and pulmonary origin. With relevance for prenatal disease modelling, these cells could be cultured to form clonal epithelial organoids manifesting small intestine, kidney and lung identity. To confirm this, we derived lung organoids from AF and tracheal fluid (TF) cells of Congenital Diaphragmatic Hernia (CDH) fetuses and found that they show differences to non-CDH controls and can recapitulate some pathological features of the disease. Amniotic Fluid Organoids (AFO) allow investigation of fetal epithelial tissues at clinically relevant developmental stages and may enable the development of therapeutic tools tailored to the fetus, as well as to predicting the effects of such therapies.

Development of therapeutic approaches for rare respiratory diseases is hampered by the lack of systems that allow medium-to-high-throughput screening of fully differentiated respiratory epithelium from affected patients. This is a particular problem for primary ciliary dyskinesia (PCD), a rare genetic disease caused by mutations in genes that adversely affect ciliary movement and consequently mucociliary transport. Primary cell culture of basal epithelial cells from nasal brush biopsies, followed by ciliated differentiation at air-liquid interface (ALI) has proven to be a useful tool in PCD diagnostics but the technique's broader utility, including in pre-clinical PCD research, has been limited by the number of basal cells that it is possible to expand from such biopsies. Here, we describe a high-content imaging-based screening method, enabled by extensive expansion of PCD patient basal cells and their culture into fully differentiated human respiratory epithelium in miniaturised 96-well transwell format ALI cultures. Analyses of ciliary beat pattern, beat frequency and ultrastructure indicate that a range of different PCD defects are retained in these cultures. We perform a proof-of-principle personalised investigation in reduced generation of motile cilia (RGMC), a rare and very severe form of PCD, in this case caused by a homozygous nonsense mutation (c.441C>A; p.Cys147*) in the MCIDAS gene. The screening system allowed multiple drugs inducing translational readthrough to be evaluated alone or in combination with inhibitors of nonsense-mediated decay. Restoration of basal body formation in the patient's nasal epithelial cells was seen in vitro, suggesting a novel avenue for drug evaluation and development in PCD.

Purpose: To develop a comprehensive analysis framework to identify mutations impacting pre-messenger RNA splicing in the context of rare disease. Methods: We assessed 'variants of uncertain significance' through six in-silico prioritization strategies. First, through comparison to functional analyses, we determined the precise effect on splicing of variants identified through clinical multi-disciplinary meetings. Next, we calculated the sensitivity of in-silico prioritization strategies to distinguish known splicing mutations from common variation (>2% in allele frequency in gnomAD) within relevant disease genes. These approaches defined an accurate in-silico strategy for variant prioritization, which we retrospectively applied to a large cohort of 2783 individuals who had previously received genomic testing for rare genomic disorders. We assessed the clinical impact of such prioritization strategies alongside routine diagnostic testing strategies. Results: We identified 21 variants that potentially impacted splicing, and used cell based splicing assays to identify those variants which disrupted normal splicing. These findings underpinned new molecular diagnoses for 14 individuals. This process established that the use of pre-defined thresholds from a machine learning splice prediction algorithm, SpliceAI, was the most efficient method for variant prioritization, with a positive predictive value of 86%. We analysed 1,346,744 variants identified through diagnostic testing for 2783 individuals, and observed that splicing variant prioritization strategies would improve clarity in clinical analysis for 15% of the individuals surveyed. Prioritized variants could provide new molecular diagnoses or provide additional support for molecular diagnosis for up to 81 individuals within our cohort. Conclusion: We present an in-silico and functional analysis framework for the assessment of variants impacting pre-messenger RNA splicing which is applicable across monogenic disorders. Incorporation of these strategies improves clarity in diagnostic reporting, increases diagnostic yield and, with the advent of targeted treatment strategies, can directly alter patient clinical management.

Understanding the genomic basis of inherited respiratory disorders can assist in the clinical management of individuals with these rare disorders. We apply whole genome sequencing for the discovery of disease-causing variants in the non-coding regions of known disease genes for two individuals with inherited respiratory disorders. We describe analysis strategies to pinpoint candidate non-coding variants within the non-coding genome and demonstrate aberrant RNA splicing as a result of deep intronic variants in DNAH11 and CFTR. These findings confirm clinical diagnoses of primary ciliary dyskinesia and cystic fibrosis, respectively.

Defective motile cilia are responsible for a group of heterogeneous genetic conditions characterised by dysfunction of the apparatus responsible for generating fluid flows. Primary ciliary dyskinesia (PCD) is the prototype for such disorders and presents with impaired pulmonary mucus clearance, susceptibility to chronic recurrent respiratory infections, male infertility and laterality defects in about 50 % of patients. Here we report biallelic variants in LRRC56 (also known as ODA8), identified in two unrelated consanguineous families. The phenotype comprises laterality defects and chronic pulmonary infections. High speed video microscopy of cultured patient epithelial cells showed severely dyskinetic cilia, but no obvious ultra-structural abnormalities on routine transmission electron microscopy (TEM). Further investigation revealed that LRRC56 interacts with the intraflagellar transport (IFT) protein IFT88. The link to IFT was interrogated in Trypanosoma brucei. In this protist, LRRC56 is recruited to the cilium during axoneme construction, where it co-localises with IFT trains and facilitates the addition of dynein arms to the distal end of the flagellum. In T. brucei carrying LRRC56 null mutations, or a mutation (p.Leu259Pro) corresponding to the p.Leu140Pro variant seen in one of the affected families, we observed abnormal ciliary beat patterns and an absence of outer dynein arms restricted to the distal portion of the axoneme. Together, our findings confirm that deleterious variants in LRRC56 result in a human disease, and suggest this protein has a likely role in dynein transport during cilia assembly that is evolutionarily important for cilia motility.