Erfelijke ziekten uitroeien: met deze wetenschappelijke doorbraak kan het

Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie stierven vorig jaar nog zo’n 438.000 mensen aan malaria en kregen ruim 200 miljoen mensen de ziekte. Een manier om de verspreiding van de ziekte in te dammen is dus erg welkom.

In een laboratorium in Californië is een belangrijke stap in die richting gezet. Muggen zijn resistent gemaakt voor malaria en bovendien genetisch zo aangepast dat vrijwel alle nakomelingen ook resistent zijn.

De wetenschappers bereikten dit met een nieuwe techniek: CRISPR (Clusters of Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Die techniek maakt het mogelijk in DNA te knippen en te plakken. Heel gericht kunnen wetenschappers hiermee het DNA van zo’n beetje alle organismen veranderen.

Sinds de uitvinding in 2012 storten moleculair biologen zich massaal op de verfijning van deze relatief eenvoudige, betrouwbare, snelle én goedkope laboratoriumtechniek. De verwachtingen zijn hooggespannen over welke problemen CRISPR allemaal zal kunnen oplossen. Zo wordt al gewerkt aan het behandelen van een genetische spierziekte, het weerbaarder maken van gewassen en een veestapel die minder gevoelig is voor parasieten. Deze week stond in Nature dat het gelukt is om een fout in het DNA in een menselijk embryo te repareren, waardoor de erfelijke ziekte die normaal het gevolg is van deze mutatie, wordt voorkomen.

Wat maakt CRISPR zo revolutionair?

Jennifer Doudna (Universiteit van Californië) en Emmanuelle Charpentier (Umea Universiteit) zijn de uitvinders van CRISPR als laboratoriumtechniek. Zij onderzochten hoe bacteriën zichzelf beschermen tegen virale infecties. Ze zagen dat bacteriën een stukje viraal DNA bewaren zodat ze het te bestrijden virus bij een volgende infectie kunnen herkennen. Vervolgens knipt een eiwit genaamd Cas9 het kapot en schakelt het zo uit.

Doudna en Charpentier beseften dat ze dit afweermechanisme in het laboratorium naar hun hand konden zetten. In 2012 publiceerden Doudna en Charpentier inderdaad dat het was gelukt om het CRISPR-Cas9-team zo te programmeren dat het op de gewenste plek in het DNA knipt.

Het Amerikaanse vakblad Science noemt het de wetenschappelijke doorbraak van 2015

Hoe dat werkt? Zie het als een spellingscontrole. Als een cel deelt, moet een DNA-streng heel nauwkeurig worden gekopieerd. Dit gaat indrukwekkend vaak goed, maar soms ontstaat er een foutje in de volgorde van de nieuwe streng. Reparatie-eiwitten corrigeren dit, waarbij ze de naastgelegen DNA-streng als voorbeeld gebruiken.

CRISPR breidt deze correctie uit met de zoek-en-vervangfunctie. Zo kan een ander stukje DNA in de buurt van de knip worden aangebracht, zodat de breuk volgens dat voorbeeld wordt gerepareerd.

Het bewerken van DNA in het laboratorium bestond al langer. Alleen was het met de bestaande gene-editingtechnieken veel ingewikkelder. Doudna maakt de vergelijking dat je bij eerdere methodes voor ieder experiment een computer opnieuw moest instellen, terwijl je bij CRISPR alleen de software hoeft te updaten. Dat scheelt jaren werk. Én is veel goedkoper, waardoor minder rijke laboratoria er ook mee aan de slag kunnen.

Welke wereldproblemen gaat CRISPR dan allemaal oplossen?

Even terug naar de muggen. Malariaresistente muggen waren al eerder ontwikkeld, maar omdat de aangepaste muggen zich niet effectief konden verspreiden, werkte deze strategie niet voldoende.

De Californische onderzoekers zagen een oplossing in de combinatie met zogenoemde gene-drive-methoden, waardoor bijna 100 procent van de nakomelingen resistent is, in plaats van 50 procent bij normale overerving.

Betekent dit definitief het einde van malaria? Voorlopig durven wetenschappers gene drive nog niet in de vrije natuur toe te passen. Eerst willen ze zeker weten dat de aanpassing zich betrouwbaar en voorspelbaar verspreidt.

De eerste therapeutische toepassingen bij mensen richten zich waarschijnlijk op bloedcellen, die je gemakkelijker kunt manipuleren dan cellen in weefsels. Het DNA wordt buiten het lichaam bewerkt, om de cellen vervolgens met hun nieuwe functie terug te plaatsen. Op deze manier zouden afweercellen in het bloed bijvoorbeeld weerbaar gemaakt kunnen worden tegen hiv. Ook proberen onderzoekers afweercellen zo te bewerken dat ze tumoren aanvallen.

En wie weet blijkt CRISPR zelfs een oplossing voor het wereldwijde probleem van groeiende antibioticaresistentie. Steeds meer bacteriën reageren niet meer goed op veelgebruikte antibiotica, waardoor tot voor kort onschuldige ontstekingen opeens weer riskant kunnen worden voor patiënten.

Daarom knutselen onderzoekers van Tel Aviv University aan bacteriële genen die resistentie veroorzaken, om de bacteriën weer gevoelig te maken voor een antibioticum. Wetenschappers van het Amerikaanse MIT gaan hetzelfde probleem op een andere manier te lijf: zij schakelen bacteriën uit die ongevoelig zijn geraakt voor antibiotica, zodat niet-resistente bacteriën de overhand krijgen in een bacteriepopulatie. In simpele experimentele modellen werkt dit al.

CRISPR is ook handig voor onderzoek naar het ontstaan van ziekten: door mutaties van patiënten in celkweeksystemen na te bootsen, kun je bestuderen hoe deze mutaties tot ziekte leiden. En als je ze veel minder vatbaar kunt maken voor parasieten, hebben ze minder antibiotica nodig. Ook wordt CRISPR ingezet om efficiënter voedsel te produceren; handig om de wereldbevolking te kunnen blijven voeden.

Marianne Rots, hoogleraar Moleculaire Epigenetica (Rijksuniversiteit Groningen) is ervan overtuigd dat de toekomst van gentherapie zit in het heel specifiek en lokaal beïnvloeden van DNA. Als een van de weinigen lukte het haar team met de eerdere technieken genen specifiek aan of uit te zetten. ‘Omdat CRISPR-Cas zo makkelijk en goedkoop is, zetten alle labs nu daarop in,’ zegt Rots, die nu zelf ook de voordelen van CRISPR-Cas benut.

Kortom: we gaan de komende jaren nog heel veel over CRISPR horen.

Welke vragen kunnen we hierbij stellen?

Voordat alle hoopvolle scenario’s werkelijkheid kunnen worden, is er nog veel werk aan de winkel. Vooral de precisie van CRISPR moet verbeteren; je wilt dat je plannetje alleen werkt op de gekozen plek in het DNA, en niet ook op andere locaties die qua DNA-volgorde daarop lijken. En onverwachte bijeffecten wil je voorkomen. Dus geen essentieel gen uitschakelen, maar ook niet per ongeluk een kankergen aanzetten.

Ook is nog onbekend of en hoe de werking van CRISPR varieert tussen verschillende weefsels. Het ontwikkelen van methoden waarmee CRISPR-systemen het DNA in weefsels efficiënt kunnen bereiken, blijft voorlopig ook nog een grote uitdaging.

Neem die varkentjes ter grootte van een hondje. Waarom zou je die willen hebben?

En dan zijn er nog de ethische kwesties. Willen we alle mogelijkheden wel die CRISPR biedt?

Neem die varkentjes ter grootte van een hondje. Waarom zou je die willen hebben? Allereerst om onderzoek mee te doen. Varkens lijken qua fysiologie op mensen en zijn voor bijvoorbeeld hart- en vaatziekten of sommige neurologische aandoeningen een geschikt modelorganisme. Maar grote dieren zijn duur om te houden, ook omdat ze hoge doseringen nodig hebben als prijzige medicatie wordt getest. Met slimme gene-editing maakten Chinese onderzoekers daarom varkenscellen minder gevoelig voor groeihormonen, om zo tot kleinere proefdieren te komen. En voilà: nu zijn er schattige varkentjes die zo’n 15 kilogram wegen op volwassen leeftijd. Het publiek was ook direct fan. Daarom besloot het onderzoeksinstituut de beestjes te gaan verkopen als huisdier, mogelijk met vachtkleur naar keuze. Prijs: zo’n 1.600 dollar.

Neem ook het sleutelen aan het DNA van ongeboren kinderen: wat als de CRISPR-techniek een genetische fout in een ongeborene kan corrigeren? En ouders dus kunnen voorkomen dat hun kind een ernstige aandoening krijgt? Dan hebben fouten mogelijk een veel grotere impact. Als je vlak na de bevruchting DNA in een embryo bewerkt, is de kans groot dat deze verandering in kiemcellen opduikt. Hieruit komen zowel lichaamscellen als geslachtscellen voort. DNA in de geslachtscellen – en eventuele wijzigingen daaraan – wordt aan de volgende generatie doorgegeven. Ofwel: je verandert dan niet alleen DNA van het individu, maar ook van de afstammelingen. Dan wil je wel zeker weten wat je doet en daarvoor is CRISPR nog niet voldoende ontwikkeld.

Toch publiceerden Chinese onderzoekers vorig jaar over een CRISPR-experiment in embryo’s. Ze wilden meer inzicht krijgen in DNA-reparatiemechanismen én de specificiteit en efficiëntie van CRISPR in menselijke embryo’s. De experimenten waren goedgekeurd door de lokale ethische commissie. Er waren niet-levensvatbare embryo’s geselecteerd waarmee geen zwangerschap tot stand zou worden gebracht. Toch riep de kwestie onder vakgenoten en daarbuiten veel vragen op. De meeste onderzoekers vinden dat ze nog niet genoeg controle hebben over de techniek om CRISPR nu al in embryo’s toe te passen. Maar als ze iets meer weten, kan het dan wel? Wie bewaakt een eventuele glijdende schaal?

Hoe nu verder?

Begin december bespraken diverse betrokkenen tijdens de International Summit on Human Gene-editing in Washington hoe er verstandig met CRISPR omgegaan kan worden. Annelien Bredenoord, hoogleraar Medische Ethiek (Universiteit van Utrecht) was erbij. De organisatoren stelden een verklaring op over verantwoorde toepassing van gene-editing bij mensen. Die stelt dat gene-editing in kiemcellen in de toekomst in principe denkbaar is, mits aan een behoorlijk aantal voorwaarden is voldaan, zoals op het gebied van veiligheid en voorspelbaarheid. Het is niet zeker dat ooit aan alle voorwaarden zal worden voldaan.

De verklaring was geen eenduidige uitkomst van de bijeenkomst. ‘Het thema is te nieuw en te controversieel om nu al consensus te bereiken. En op bepaalde punten zal je misschien nooit consensus bereiken, omdat er natuurlijk ook ideologische overtuigingen achter zitten,’ zegt Bredenoord. Sommige mensen zullen bijvoorbeeld op basis van een religie nooit aan nieuw leven willen sleutelen. ‘Ze hebben niet opgeroepen tot een moratorium, dus tot een tijdelijk verbod. Er wordt niet gezegd ‘we vinden ingrijpen in de kiembaan fundamenteel ethisch niet verantwoord.’ Voorzichtig en verantwoord mag het onderzoek dus verder gaan.

Er is meer dan ziekten genezen of andere problemen oplossen waar we het over kunnen hebben. De term ‘designer humans’ duikt regelmatig op in relatie tot CRISPR. Wat bijvoorbeeld als we de mens minder gewelddadig kunnen maken?

Voorlopig is dit een theoretische discussie: we weten van de meeste eigenschappen niet welke genen ze veroorzaken of beïnvloeden. Onderzoek richt zich eerst op aandoeningen die door één gen worden bepaald. Maar de ontwikkelingen gaan snel - reden om er toch nu al over na te denken. De grens tussen sciencefiction en realiteit zal verschuiven, zeker nu deze week weer belangrijke stappen gezet zijn in het aanpassen van embryonaal DNA om ernstige erfelijke ziekten te voorkomen.

Embryoselectie, zoals dat gebeurt bij bepaalde ernstige erfelijke aandoeningen, is geaccepteerd in de maatschappij, maar de mogelijkheid van embryomodificatie roept discussie op. Traditioneel bestaat hiertussen een scherpe scheidslijn. Bredenoord onderzoekt nu of er een fundamenteel ethisch verschil bestaat tussen de twee interventies.

Rots waagt zich niet aan een voorspelling over wanneer CRISPR voor het eerst in een ziekenhuis zal worden toegepast. ‘Maar als de resultaten er goed uitzien, dan wordt snel de volgende stap gezet. Dit is echt iets waar investeerders op inzetten, waar patiënten graag aan mee willen doen en waar artsen om staan te trappelen.’

De strip in dit verhaal is van Roel Venderbosch.

Verder lezen?