Wereldwijd zijn onderzoekers in een race verwikkeld om ziekten te genezen, van aids tot kanker, met CRISPR-Cas9, een eenvoudige techniek om genen aan te passen - zo eenvoudig, zelfs, dat ook biohackers er in hun badkamers en keukens mee aan de slag gaan. Staan we voor een revolutie?

Het was live te volgen op Facebook, in oktober 2017. Op een conferentie in San Francisco spoot Josiah Zayner, een Amerikaanse biochemicus met een verleden bij de NASA, zich in met eigenhandig ontworpen DNA. Door het gen voor myostatine uit te schakelen, het eiwit dat de activiteit van spieren remt, wilde hij zijn spierkracht een boost geven. 'Mensen hoeven geen slaven meer te zijn van hun genen', zei hij voor hij de daad bij het woord voegde. Een andere biohacker hoopt binnenkort op een soortgelijke manier zijn kleurenblindheid te genezen.

Doe-het-zelven met je eigen genen: het kan dankzij de ontdekking, een jaar of vijf geleden, van de zogenoemde CRISPR-Cas9-techniek. Daarmee kun je goedkoop, eenvoudig en met grote precisie DNA wijzigen, waardoor ook amateurbiologen er thuis mee aan de slag kunnen. Onderzoekers gruwen van die gedachte, onder meer omdat het dramatisch fout kan gaan. Ondertussen zetten zijzelf volop in op de techniek, in laboratoria van China tot de Verenigde Staten, bijvoorbeeld in de strijd tegen erfelijke ziekten.

Twee patiënten met maagkanker zouden goed reageren op een experimentele behandeling met de CRISPR-techniek.

Dat leidde al tot een huzarenstuk met 'Beethoven-muizen'. Dat zijn laboratoriummuisjes die genetisch zo zijn bijgestuurd dat ze een erfelijke vorm van doofheid krijgen, waaraan ook de legendarische componist mogelijk leed. Horen gebeurt in het binnenoor, waar piepkleine haartjes geluidsgolven omzetten in elektrische signalen voor de hersenen. Verantwoordelijk voor dat proces is een complex van eiwitten aan de basis van de haartjes. Een daarvan is het TMC1-eiwit. Fouten daarin kunnen uitmonden in geleidelijke doofheid, doordat steeds meer haartjes het begeven.

De Beethoven-muisjes hebben zo'n genetische fout in hun TMC1 gekregen. De mutatie is identiek aan een fout in de mensenversie van het eiwit. Ze is ook dominant: van één ouder een gen met een fout krijgen, volstaat om doof te worden. Wetenschappers hoopten door gen-editing - aan genen sleutelen - de fout in het muizengen te kunnen herstellen. Het was zaak uitsluitend aan het foute gen te sleutelen en niet te raken aan het eventuele verwante foutloze gen van de andere ouder.

Enkele weken geleden meldde het topvakblad Nature dat het gelukt is, met dank aan CRISPR-Cas9. Een stukje RNA - CRISPR - werd gebruikt als gids om de juiste plek op het DNA te vinden, gekoppeld aan een molecule - Cas9 - die als een schaar in het DNA knipte. RNA is een molecule verwant aan het DNA, dat de genetische code draagt: hij dient als tussenstap wanneer informatie uit het DNA in bruikbare eiwitten wordt overgeschreven, en is dus 'gemaakt' om zich aan DNA te hechten. Origineel was dat de onderzoekers geen virussen gebruikten om het knip-en-plakcomplex op de juiste plek te krijgen, zoals de regel is, maar vetdruppeltjes.

Het resultaat overtrof de stoutste verwachtingen: de behandelde diertjes behielden hun gehoorvermogen veel langer dan de andere. Bij sommige muizen werd het ene oor behandeld en het andere niet, en ook daarbij maten de onderzoekers verschillen. De genetische aandoening was niet weggewerkt, maar haar funeste effect op het gehoor manifesteerde zich veel trager. Vetdruppeltjes in plaats van virussen gebruiken, maakt de techniek bruikbaarder voor testen bij mensen. Het zal wel nog een tijdje duren voor we er erfelijke vormen van doofheid mee kunnen behandelen.

Verdediging van yoghurtbacteriën

Een van de oorspronkelijke ontdekkingen van CRISPR-Cas9 situeerde zich in de yoghurtproductie. Het knip-en-plakcomplex is een bacterieel verdedigingssysteem tegen virale aanvallers. Het komt ook voor in yoghurtbacteriën: ze verknippen er het genetische materiaal van virussen zo mee dat het niet meer vermenigvuldigd kan worden.

Het grote belang van de CRISPR-Cas9-techniek is dat ze toelaat om ín een lichaam aan de genen te sleutelen.

In 2012 verschenen in Science de eerste publicaties over de mogelijkheden van CRISPR-Cas9 voor de geneeskunde. En vorig jaar zijn de eerste klinische testen gestart om mensen te genezen. Dat is een razendsnelle evolutie. Ter vergelijking: in de jaren 1970 duurde het een maand om een van de samenstellende onderdelen van het DNA, een base, te identificeren - en er zijn 3 miljard basenparen in het menselijke genoom. Nu gebeurt dat aan de lopende band door sequencers, machines die automatisch en met hoge snelheid de samenstelling van een DNA-keten aflezen. Wetenschappers zeggen al lachend: 'De microscoop is vierhonderd jaar geleden uitgevonden en wordt nog altijd verbeterd.' Welnu, DNA-sequencing en gen-editing hebben de jongste veertig jaar - in een tiende van die tijd, dus - een vergelijkbare evolutie doorgemaakt.

Van schaar tot schakelaar

Het grote belang van de CRISPR-Cas9-techniek is dat ze toelaat om ín een lichaam aan de genen te sleutelen. Het te corrigeren DNA moet er niet meer per se, zoals vroeger, uitgehaald worden. Het CRISPR-complex vindt vrij snel de plek waar het moet zijn, en verbruikt verrassend weinig energie. Het heeft uiteraard zijn beperkingen. Het is zo groot dat het niet even goed in alle cellen doordringt. Het overleeft ook niet gemakkelijk in de bloedstroom. Voorts is niet altijd duidelijk hoeveel cellen met een afwijking het bijstuurt. In de experimenten veroorzaakte dat tot dusver dikwijls een teleurstelling: als je maar 5 procent van de geviseerde cellen bereikt, is de kans klein dat je ingreep succes heeft.

Bovendien sleutelt het complex ook elders aan het DNA, waardoor nogal wat fouten worden gemaakt. In het beste geval blijft dat zonder gevolg, in het slechtste heeft het zware neveneffecten. Zeker omdat het eigen reparatiesysteem van een cel de gemaakte knippen moet herstellen. Een studie in Nature Methods rapporteerde over 'honderden ongewenste mutaties' in het genoom bij pogingen om genetische blindheid bij muizen aan te pakken. De diertjes raakten niet van hun blindheid verlost, maar leden ook niet onder de mutaties. Waarnemingen van muizen in de omgeving van de rampkerncentrale van Tsjernobyl in Oekraïne wijzen uit dat diertjes veel veranderingen in hun DNA aankunnen zonder er last van te hebben. Of dat zal volstaan om snel en in het algemeen klinische testen op mensen toe te laten, valt te bezien. De debatten zijn open.

Er wordt wel druk gewerkt om de techniek nog efficiënter en betrouwbaarder te maken. Vooralsnog dient ze vooral om fout werkende genen uit te schakelen. Dat is het ruwe werk. Eind 2017 beschreven wetenschappers in Cell een manier om CRISPR-Cas9 zo aan te passen dat het geviseerde DNA niet langer geknipt wordt, wat de kans op fout knipwerk elders in het genoom beperkt. In de plaats van de moleculaire schaar kwam er een synthetische schakelaar die uitgeschakelde genen weer aan de gang kan zwengelen. Daarmee konden de wetenschappers bij muizen met diabetes of nierproblemen specifieke genen activeren, waardoor de symptomen van hun ziekte verminderden.

© illustratie Julia Yellow

Genetische kleuterklas

Science publiceerde dan weer een techniek om het knipwerk te verfijnen. Die staat al zo ver dat enzymen kunnen worden ingezet om enkelvoudige basen in het DNA of RNA aan te passen. Dat is belangrijk, omdat er naar schatting 35.000 genetische fouten bestaan die gebaseerd zijn op een probleem met één base en die gelinkt zijn aan een of andere (dikwijls zeldzame) aandoening. De nieuw gemaakte base hoeft zelfs niet een van de vier te zijn die van nature in het DNA voorkomen, zolang ze maar het gewenste genezende effect heeft. Onnatuurlijke elementen in het DNA introduceren kan dus gezonder zijn dan fouten in de natuurlijke samenstelling. De strijd tegen genetische ziektes wordt op veel fronten gevoerd.

Eind januari werd op het onlineforum bioRxiv een aanpassing van de techniek bekendgemaakt, waarmee een veel hoger succes in het aantal bijgestuurde cellen kon worden bereikt - de wetenschappers spraken van meer dan 90 procent van de geviseerde cellen. De doorbraak kwam er door naast de moleculaire schaar een stukje DNA te plakken dat op de plaats van het knipwerk moet komen. Dus CRISPR stuurt het geheel naar de juiste plek op het DNA, Cas9 doet het knipwerk, en het meegegeven DNA wordt op de plaats van de knip geplakt, waarna het reparatiesysteem van de cel het geheel weer netjes aan elkaar naait. Het klinkt geweldig eenvoudig, als in een genetische kleuterklas.

De vraag is nu: hoe snel kan de techniek naar de kliniek worden gebracht? De verwachtingen zijn hooggespannen, getuige de massa's geld opslorpende juridische gevechten die momenteel geleverd worden over wie een octrooi krijgt op welk aspect van de techniek. De te verwachten berg goud heeft sommige oorspronkelijke onderzoeksteams uit elkaar gedreven, zeker in de VS. Vooral de Chinezen nemen voorsprong in de toepassing. Van de veertien klinische testen op patiënten die officieel geregistreerd zijn, zijn er elf Chinees en drie Amerikaans (en minstens één leidende onderzoeker in de States heeft een Chinese naam). Ook het Verenigd Koninkrijk staat dicht bij de eerste klinische proef. Iedereen waarschuwt er wel voor: het zal nog jaren duren voor de inzet van CRISPR-Cas9 routine wordt ter behandeling van patiënten.

Nieuwe manieren om kanker te bestrijden zijn het voorwerp van een aantal van de eerste klinische testen. Daarbij worden, onder meer, afweercellen uit een patiënt gehaald en met CRISPR-Cas9 bijgestuurd, zodat ze efficiënter kankercellen kunnen aanvallen. Vervolgens worden ze weer ingespoten. De cellen worden zo bijgestuurd dat assertieve kankercellen ze niet kunnen uitschakelen voor ze hun werk hebben gedaan. De georkestreerde aanval kan ook gebeuren door donorcellen die genetisch worden gemanipuleerd om efficiënte kankerbestrijders te worden. De eerste twee patiënten die met de techniek voor maagkanker behandeld zijn, vertonen volgens Science 'beloftevolle verbeteringen'.

Andere onderzoekers focussen op het humaan papillomavirus (HPV). Dat virus kan uitmonden in tumorgroei op diverse plekken in een lichaam - het is de belangrijkste oorzaak van baarmoederhalskanker. Via een gel in de baarmoederhals zou de CRISPR-machinerie de virale genen in besmette cellen kunnen aanvallen. Onderzoekers die zich toespitsen op aids, hopen via de techniek een gen lam te leggen dat de informatie bevat over een eiwit dat het virus gebruikt om een cel binnen te dringen. Als dat eiwit er niet meer is, kunnen virusdeeltjes geen cellen besmetten. De techniek heeft ook al bewezen dat ze virussen in varkens kan uitschakelen, wat het aantal opties vergroot om varkensorganen te gebruiken voor orgaantransplantaties bij mensen.

Ziektes voorkomen

Ziektes genezen is één zaak, ze voorkomen een andere. CRISPR-Cas9 biedt de optie om genetische fouten in embryo's op te sporen en te corrigeren. De eerste, ook weer Chinese experimenten, in 2015, gaven niet echt hoopvolle resultaten: de correctie slaagde bij slechts weinig embryo's. Maar het betrof embryo's waarbij tijdens een ivf iets fout ging - ze waren sowieso niet leefbaar.

Een jaar geleden meldden de onderzoekers in Molecular Genetics and Genomics dat ze waren overgeschakeld op normale eicellen die niet meer nodig waren na een ivf. Ze lieten die in de proefbuis bevruchten door zaad van mannen met een genetische aandoening. Bij drie van de zes gecorrigeerde embryo's konden ze de genetische fout wegwerken. Maar er dook een nieuw obstakel op: twee van de 'genezen' embryo's bleken een 'mozaïek' te zijn van bijgestuurde en niet-bijgestuurde cellen. Genezing zou dan afhangen van de verhouding tussen beide celtypes. Het euvel wegwerken, zou kunnen door de ingreep zo goed als samen met de bevruchting te doen, en door een kamikazeaspect aan het CRISPR-complex te hangen, waardoor het zichzelf na verloop van tijd uitschakelt. Zo maak je het natuurlijk almaar ingewikkelder.

Dat veel pionierswerk in China gebeurt, heeft zeker te maken met de vlotheid waarmee Chinese autoriteiten toestemming geven voor zulke experimenten.

Een andere Chinese groep publiceerde in Protein & Cell resultaten voor de behandeling van embryo's met een genetische fout die tot een fatale vorm van bloedarmoede zou leiden. De embryo's werden gemaakt door huidcellen van mensen met de ziekte te klonen. In dit geval vervingen de onderzoekers foute DNA-basen. In acht van de twintig gekloonde embryo's herstelde de ingreep de fout, maar de meeste embryo's waren opnieuw een mozaïek van herstelde en niet-herstelde cellen. Voor zover bekend is er tot dusver geen experiment gedaan met menselijke embryo's die langer dan veertien dagen in leven werden gehouden.

Dat veel pionierswerk in China gebeurt, hoewel de techniek vooral in de VS is ontwikkeld, heeft zeker te maken met de vlotheid waarmee Chinese autoriteiten toestemming geven voor zulke experimenten. In de VS en Europa moet je daarvoor soms eerst een jarenlange procedure via allerlei ethische en andere commissies volgen. Josiah Zayner, met wie dit artikel begon, liet zich daardoor niet tegenhouden, vanuit de gedachte dat iedereen met zijn lichaam mag doen wat hij wil. Hoe risicovol het ook is, het is niet uitgesloten dat CRISPR-Cas9 via de badkamer-en-keukenwetenschap sneller de maatschappij bereikt dan via de kliniek.

Reageren op dit artikel kan u door een e-mail te sturen naar lezersbrieven@knack.be. Uw reactie wordt dan mogelijk meegenomen in het volgende nummer.