Medische toepassingen van CRISPR

De mutatie werd verwijderd met CRISPR en vervangen door een gezonde kopie van het gen. De publicatie wakkerde het internationale debat aan over de genetische correctie van erfelijk materiaal, die door sommigen beschouwd wordt als een nieuwe stap richting designer baby’s.

Een week later verscheen in Science een artikel over een reeks laboratoriumexperimenten waarbij wetenschappers van het Amerikaanse biotechbedrijf eGenesis beschrijven hoe ze dankzij CRISPR retroviraal DNA, dat geïncorporeerd zit in varkensDNA, uit het varkensgenoom konden verwijderen. Dit retrovirale DNA vormt één van de obstakels voor xenotransplantatie (transplanteren van dierlijke organen naar de mens). Varkens komen theoretisch in aanmerking als donordieren, voor harttransplantatie bijvoorbeeld, maar de vrees bestaat dat de retrovirussen kanker zouden kunnen veroorzaken bij de mens.

Wat is CRISPR?

CRISPR is een begrip in de genetica. In het begin van de jaren 90 vond de Spaanse microbioloog Mojica in het genoom van bacteriën eigenaardige stukken DNA: strengen met korte codes die telkens weer herhaald worden. Het bleek te gaan om stukken DNA die overeenkomen met het DNA van virussen. CRISPR is eigenlijk een bibliotheek van DNA-codes afkomstig van allerlei virussen die bacteriën kunnen aanvallen en die door de jaren daarin zijn opgeslagen. CRISPR laat de bacterie toe om bij een virusaanval snel te reageren. Daarvoor bezit de bacterie, behalve die bibliotheek, een zeer precies enzym, cas9 genaamd (cas staat voor CRISPR associated system). Het is een endonuclease dat DNA kan knippen op een welbepaalde plaats.

Hoe werkt het praktisch? Eerst wordt het CRISPR-DNA dat codeert voor het virus uitgelezen tot een stukje RNA (CRISPRRNA of crRNA). Dat crRNA wordt vervolgens gekoppeld aan het enzym cas9: cas9 wordt als het ware opgeladen met een RNA-code die een overeenkomstige DNA-code in het virus zal herkennen. Deze combinatie is een krachtige machine tegen virussen: als het crRNA overeenkomt met het DNA van het virus dan knipt het cas9 het DNA van het virus stuk. Daarmee is het virus uitgeschakeld.

Het CRISPR-cas9 systeem is een afweersysteem van bacteriën tegen virussen. CRISPR werkt ook buiten bacteriën. Wetenschappers beseffen al lang dat de ontrafeling van het bacteriële CRISPRsysteem perspectieven biedt voor het modificeren van het DNA van hogere organismen. Tot voor kort was het moeilijk om dat DNA op een zeer specifieke plaats door te knippen. Met CRISPR lukt het wel.

In 2012 ontdekten Doudna en Charpentier dat ze in vitro gelijk welk DNA konden splitsen met het CRISPR-systeem: ze programmeerden zelf een stukje RNA van een 20-tal nucleotiden dat matcht met een bepaald stuk DNA en koppelden het aan het cas9-enzym. Ze vervingen dus het crRNA door een synthetisch stukje RNA. Daarmee konden ze het DNA exact doorknippen op een welbepaalde plaats. Een jaar later slaagde men erin dit systeem ook in cellen van zoogdieren toe te passen. Zhang gebruikte CRISPR in muizencellen en ook in humane cellen.

Ook stelde men vast dat wanneer DNA wordt doorgeknipt in een celkern, de cel deze breuk in het DNA tracht te herstellen. Biedt men op dat moment ook de correcte stukjes DNA aan, dan zal de cel deze vaak gebruiken als matrijs om het defect te herstellen. Door dit systeem verder te verfijnen kan men dus twee dingen doen: fout DNA (genen of delen van genen) wegknippen en zo gewenst op die plaats ook nieuw DNA-materiaal (en eventueel mutaties) inbouwen.

Varkensorganen virusvrij maken voor transplantatie

Er is een groot tekort aan organen voor transplantatie. De organen van varkens gelijken op die van mensen, zowel qua grootte als functie, en komen daarom in aanmerking voor xenotransplantatie. Toch durft men de organen niet gebruiken: naast immunologische afstotingsverschijnselen is er een tweede probleem: in het genoom van varkens zit viraal DNA ingebouwd. Varkens hebben daar geen last van – door de eeuwen hebben ze een symbiotische verhouding met dit virusmateriaal aangenomen – maar als dat varkensweefsel in een mens wordt ingeplant, kan het viraal DNA mogelijk overgaan op humane cellen en opnieuw geactiveerd worden. Intussen werd aangetoond dat CRISPRCas dit kan verhelpen. Wetenschappers knipten op 25 plaatsen virus-DNA weg uit het DNA van varkenscellen. Ze plantten deze viraal gezuiverde celkern in leeggemaakte eicellen en lieten ze ontwikkelen tot embryo’s die werden ingeplant bij een tiental zeugen. Uiteindelijk verkreeg men 15 biggetjes volledig vrij van viraal DNA. Deze techniek verlaagt de drempel om een varkensnier of -hart te gebruiken in de toekomst. Daarenboven kan men op termijn ook afstotingsverschijnselen met dezelfde techniek trachten uit te schakelen, namelijk door het DNA weg te knippen dat codeert voor antigenen die de afstoting induceren.

Mutaties uit het genoom van menselijk embryo’s verwijderen

Meer dan 10.000 erfelijke aandoeningen worden veroorzaakt door mutaties in één gen. Daaronder zijn er heel wat autosomaal dominante mutaties die worden veroorzaakt door een mutatie op één allel. Het overerven van zo’n dominante mutatie kan leiden tot ernstigen aandoeningen zoals borstkanker en hypertrofe cardiomyopathie. Dit laatste komt vaak voor (bij 1 op 500 mensen) en is de meest voorkomende oorzaak van plots hartfalen bij jonge atleten.

De ziekte van Duchenne

In een muizenmodel voor de ziekte van Duchenne konden verschillende onderzoekteams het genoom van spiercellen bewerken. Door een mutatie weg te knippen uit de het DNA van de kernen kan men de spiercellen terug functioneel maken.

Virale infecties

Behandelen van virale infecties zoals humaan papillomavirus (HPV) van de baarmoederhals en hiv. Virussen bouwen hun DNA in het DNA van de besmette cellen. Door dit weg te knippen met CRISPR-Cas zou men de infectie volledig kunnen doen verdwijnen. Dierexperimenten op dat vlak zijn veelbelovend. Onderzoekers toonden aan dat de HIV-1 replicatie volledig gestopt kan worden en het virus geëlimineerd werd uit geïnfecteerde cellen. Nederlandse onderzoekers konden het epsteinbarrvirus op uiterst efficiënte en specifieke wijze uit geïnfecteerde tumorcellen verwijderen. Het CRISPRCas-systeem kon ook de replicatie van het herpes simplex virus en cytomegalovirus in menselijke cellen volledig platleggen.

Kanker

De eerste behandeling bij mensen gebeurde in 2016 in China aan de Sichuan Universiteit in Chengdu. Het betrof een man met longkanker. Kanker misleidt onze lymfocyten door het PD-1-eiwit te activeren. Dit eiwit inhibeert de lymfocyten, waardoor de tumor ongemoeid blijft. De onderzoekers isoleerden de lymfocyten en knipten het gen dat codeert voor PD-1 weg met CRISPR-Cas. Nadat ze deze gemodificeerde cellen lieten prolifereren, dienden ze deze opnieuw toe aan de patiënt.