Ήδη από το 2015, οι επιστήμονες έχουν προειδοποιήσει κατά της χρήσης της τεχνολογίας CRISPR-Cas9 για την τροποποίηση των γονιδιωμάτων της γεννητικής σειράς. Πράγματι, μια προοπτική που δημοσιεύθηκε εκείνη τη χρονιά στο Science πρότεινε ότι οι κατά τα άλλα μη εξαιρετέες εφαρμογές θεραπείας ασθενειών θα μπορούσαν να θέσουν τη μηχανική του ανθρώπινου γονιδιώματος σε μια “ολισθηρή πορεία” προς την τροποποίηση γονιδίων της γεννητικής γραμμής, με απρόβλεπτες συνέπειες.
Όταν η προειδοποίηση κατά της επεξεργασίας της γεννητικής γραμμής αγνοήθηκε από τον Κινέζο επιστήμονα He Jiankui, PhD, τουλάχιστον ορισμένες από τις συνέπειες ήταν προβλέψιμες. Η επιστημονική κοινότητα σοκαρίστηκε, ακόμη και έμεινε εμβρόντητη. Και οι κινεζικές αρχές ξεκίνησαν έρευνα. Τελικά, ο He Jiankui απολύθηκε από το πανεπιστήμιό του, το Southern University of Science and Technology στο Shenzhen. Του επιβλήθηκε επίσης βαρύ πρόστιμο, ποινή φυλάκισης τριών ετών και απαγόρευση περαιτέρω έρευνας στις τεχνολογίες υποβοηθούμενης αναπαραγωγής.
Αν η αποκάλυψη των “CRISPR Babies” οδήγησε σε σαφή επαγγελματικά και νομικά αποτελέσματα, τα επιστημονικά αποτελέσματα, για να μην μιλήσουμε για τις ατομικές συνέπειες στην υγεία, παρέμειναν θολά. Ωστόσο, ένας βαθμός επιστημονικής σαφήνειας έγινε εμφανής αυτή την εβδομάδα, στην 39η ετήσια συνάντηση της Ευρωπαϊκής Εταιρείας Ανθρώπινης Αναπαραγωγής και Εμβρυολογίας (ESHRE). Στη συνάντηση αυτή, μία από τις εισηγήτριες, η Nada Kubikova, DPhil, του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, ανέφερε ότι τα κύτταρα των πρώιμων ανθρώπινων εμβρύων συχνά δεν είναι σε θέση να επιδιορθώσουν βλάβες στο DNA τους.
Κατά τη διάρκεια της παρουσίασής της, η οποία είχε τίτλο: “Ανεπάρκεια της επιδιόρθωσης των σπασιμάτων διπλής έλικας του DNA σε ανθρώπινα προεμφυτευτικά έμβρυα που αποκαλύφθηκε με το CRISPR-Cas9”, η Kubikova υπέδειξε ότι η ανεπαρκής επιδιόρθωση του DNA στα έμβρυα έχει σημαντικές επιπτώσεις. “Η γονιδιακή επεξεργασία έχει τη δυνατότητα να διορθώσει ελαττωματικά γονίδια, μια διαδικασία που συνήθως περιλαμβάνει πρώτα το σπάσιμο και στη συνέχεια την επιδιόρθωση της αλυσίδας του DNA”, δήλωσε η Kubikova. “Τα νέα ευρήματά μας αποτελούν προειδοποίηση ότι οι ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες γονιδιακής επεξεργασίας μπορεί να έχουν ανεπιθύμητες και δυνητικά επικίνδυνες συνέπειες εάν εφαρμοστούν σε ανθρώπινα έμβρυα”.
Περιέγραψε πώς αξιολόγησε το εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας, CRISPR-Cas9, για την αποκοπή και αντικατάσταση τμημάτων DNA σε κύτταρα πρώιμων εμβρύων.
“Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η χρήση του CRISPR-Cas9 σε πρώιμα ανθρώπινα έμβρυα ενέχει σημαντικούς κινδύνους”, είπε. “Διαπιστώσαμε ότι το DNA των εμβρυϊκών κυττάρων μπορεί να στοχευθεί με μεγάλη αποτελεσματικότητα, αλλά δυστυχώς αυτό σπάνια οδηγεί στο είδος των αλλαγών που απαιτούνται για τη διόρθωση ενός ελαττωματικού γονιδίου. Συχνότερα, η αλυσίδα του DNA σπάει μόνιμα, γεγονός που θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε πρόσθετες γενετικές ανωμαλίες στο έμβρυο”.
Η γονιδιακή επεξεργασία έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται σε παιδιά και ενήλικες με ασθένειες που προκαλούνται από γονιδιακές μεταλλάξεις, όπως η κυστική ίνωση, ο καρκίνος και η δρεπανοκυτταρική νόσος. Πολλές ακόμη κληρονομικές διαταραχές θα μπορούσαν να αποφευχθούν εάν η γονιδιακή επεξεργασία μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε έμβρυα πριν αυτά εμφυτευθούν στη μήτρα, δεδομένου ότι αυτό είναι το μόνο στάδιο ανάπτυξης κατά το οποίο η τεχνολογία CRISPR-Cas9 μπορεί να εγγυηθεί ότι θα φτάσει σε κάθε κύτταρο του εμβρύου. Ωστόσο, επειδή έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει αλλαγές στο ανθρώπινο γονιδίωμα που θα μεταβιβάζονται από γενιά σε γενιά, και λόγω της αβεβαιότητας σχετικά με την ασφάλειά της, η χρήση της στα έμβρυα απαγορεύεται επί του παρόντος στις περισσότερες χώρες παγκοσμίως.
“Εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικά κενά στις γνώσεις μας”, σημείωσε η Kubikova. “Θέλαμε να αξιολογήσουμε κατά πόσον η CRISPR-Cas9 θα μπορούσε να είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για τη διόρθωση γενετικών λαθών σε ανθρώπινα έμβρυα και να ρίξουμε φως στο κατά πόσον τέτοιες μέθοδοι θα ήταν ασφαλείς στη χρήση”.
Σε μια δεοντολογικά εγκεκριμένη μελέτη, η Kubikova και οι συνάδελφοί της γονιμοποίησαν δωρεά ωάρια με δωρεά σπέρματος χρησιμοποιώντας ενδοκυτταροπλασματική έγχυση σπέρματος για να δημιουργήσουν 84 έμβρυα. Σε 33 από τα έμβρυα, χρησιμοποίησαν το CRISPR-Cas9 για να δημιουργήσουν σπασίματα στις δύο αλυσίδες που συνθέτουν το μόριο του DNA.
“Χρησιμοποιήσαμε το CRISPR για να στοχεύσουμε περιοχές του DNA που δεν περιέχουν γονίδια”, επισήμανε η Kubikova. “Αυτό συνέβη επειδή θέλαμε να μάθουμε τι ισχύει πάντα για το πώς το CRISPR επηρεάζει τα κύτταρα των εμβρύων και το DNA τους και να μην αποσπάται η προσοχή μας από τις αλλαγές που προκαλούνται από τη διακοπή ενός συγκεκριμένου γονιδίου”.
Τα υπόλοιπα 51 έμβρυα διατηρήθηκαν ως δείγματα ελέγχου.
“Όλα τα κύτταρα του σώματος διαθέτουν εξαιρετικά αποτελεσματικούς μηχανισμούς για την αποκατάσταση των βλαβών που επηρεάζουν το DNA τους”, συνέχισε η Kubikova. “Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα άκρα των σπασμένων κλώνων του DNA επανασυνδέονται γρήγορα. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς η παραμονή των μη επιδιορθωμένων βλαβών στο DNA εμποδίζει τη σωστή λειτουργία των κυττάρων και μπορεί να αποβεί θανατηφόρα. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα επιδιορθώνουν το DNA είναι με την επανασύνδεση των δύο άκρων της αλυσίδας του DNA, αν και όταν συμβαίνει αυτό είναι σύνηθες να διαγράφονται ή να διπλασιάζονται μερικά γράμματα του γενετικού κώδικα στο σημείο όπου επανασυνδέονται οι αλυσίδες. Αυτό μπορεί να διαταράξει τα γονίδια και δεν επιτρέπει τη διόρθωση των μεταλλάξεων. Αυτό είναι γνωστό ως μη ομόλογη σύνδεση άκρων.
“Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα μπορούν να επιδιορθώσουν ένα σπάσιμο στο DNA είναι χρησιμοποιώντας ένα άθικτο αντίγραφο της πληγείσας περιοχής ως πρότυπο, αντιγράφοντάς το και αντικαθιστώντας την κατεστραμμένη περιοχή καθώς το κάνουν. Είναι δυνατόν να προμηθεύσουμε τα κύτταρα με κομμάτια DNA που περιέχουν ελαφρώς τροποποιημένες αλληλουχίες DNA, όπως να έχουν μια κανονική αλληλουχία αντί για μια μετάλλαξη. Το κύτταρο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει αυτά τα πρότυπα όταν επιδιορθώνει το σπάσιμο που παράγεται από το CRISPR, αφαιρώντας το σπασμένο κομμάτι του DNA και αντιγράφοντας ταυτόχρονα την υπόλοιπη παρεχόμενη αλληλουχία. Αυτό είναι γνωστό ως επιδιόρθωση κατευθυνόμενη από την ομολογία και είναι η διαδικασία που απαιτείται για τη διόρθωση μιας μετάλλαξης”.
Οι ερευνητές εντόπισαν αλλοιώσεις στις στοχευμένες περιοχές του DNA σε 24 από τα 25 έμβρυα, γεγονός που δείχνει ότι η CRISPR είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στα κύτταρα των ανθρώπινων εμβρύων. Ωστόσο, μόνο το 9% των στοχευμένων θέσεων επιδιορθώθηκε με την κλινικά χρήσιμη διαδικασία της επιδιόρθωσης που κατευθύνεται από την ομολογία, και το 51% των σπασμένων αλυσίδων DNA υποβλήθηκε σε μη ομόλογη ένωση άκρων, παράγοντας μεταλλάξεις όπου οι αλυσίδες επανασυνδέθηκαν. Το υπόλοιπο 40% των σπασμένων αλυσίδων DNA δεν επιδιορθώθηκε. Τα μη επιδιορθωμένα σπασίματα στις αλυσίδες του DNA οδήγησαν τελικά σε απώλεια ή διπλασιασμό μεγάλων κομματιών του χρωμοσώματος, τα οποία εκτείνονται από το σημείο του σπασίματος έως το τέλος του χρωμοσώματος. Οι ανωμαλίες αυτού του τύπου επηρεάζουν τη βιωσιμότητα των εμβρύων και εάν τα προσβεβλημένα έμβρυα μεταφέρονταν στη μήτρα και παρήγαγαν μωρό, θα έφεραν τον κίνδυνο σοβαρών συγγενών ανωμαλιών.
“Η μελέτη μας δείχνει ότι η επιδιόρθωση που κατευθύνεται από την ομολογία είναι σπάνια στα πρώιμα ανθρώπινα έμβρυα και ότι, κατά τις πρώτες ημέρες της ζωής, τα κύτταρα των ανθρώπινων εμβρύων αγωνίζονται να επιδιορθώσουν τις σπασμένες αλυσίδες του DNA”, τόνισε η Kubikova. “Το CRISPR-Cas9 ήταν εξαιρετικά αποτελεσματικό στη στόχευση της θέσης του DNA. Ωστόσο, η πλειονότητα των κυττάρων επιδιόρθωσε το σπάσιμο του DNA που προκλήθηκε από το CRISPR χρησιμοποιώντας μη ομόλογη σύνδεση άκρων, μια διαδικασία που εισάγει πρόσθετες μεταλλάξεις αντί να διορθώνει τις υπάρχουσες. Αυτό θα αποτελούσε πρόκληση εάν γινόταν προσπάθεια να χρησιμοποιηθεί το CRISPR-Cas9 για τη διόρθωση κληρονομικών διαταραχών σε ανθρώπινα έμβρυα, καθώς υποδηλώνει ότι τις περισσότερες φορές, όταν επιχειρείται, δεν θα είναι επιτυχής.
“Αν και τα αποτελέσματα προειδοποιούν κατά της χρήσης της επεξεργασίας του γονιδιώματος σε ανθρώπινα έμβρυα, υπήρξαν ορισμένα θετικά ευρήματα, που υποδηλώνουν ότι οι κίνδυνοι μπορούν να μειωθούν και η ικανότητα επιτυχούς αφαίρεσης μεταλλάξεων μπορεί να αυξηθεί με την τροποποίηση του τρόπου με τον οποίο γίνεται η επεξεργασία του γονιδιώματος. Αυτό προσφέρει ελπίδες για μελλοντικές βελτιώσεις της τεχνολογίας.
“Κατά μέσο όρο, μόνο το ένα τέταρτο περίπου των εμβρύων που δημιουργούνται με εξωσωματική γονιμοποίηση (IVF) καταφέρνουν να δημιουργήσουν μωρό. Τα μισά από αυτά σταματούν να αναπτύσσονται στο εργαστήριο πριν μεταφερθούν στη μήτρα. Η αδυναμία των εμβρύων να επιδιορθώσουν αποτελεσματικά τις βλάβες του DNA, που αποκαλύφθηκε από την παρούσα μελέτη, μπορεί να εξηγήσει γιατί ορισμένα έμβρυα εξωσωματικής γονιμοποίησης αποτυγχάνουν να αναπτυχθούν. Αυτή η κατανόηση μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένες θεραπείες εξωσωματικής γονιμοποίησης”.
Τώρα, οι ερευνητές θα αναζητήσουν νέους τρόπους για την προστασία των πρώιμων εμβρύων από βλάβες στο DNA, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιθανές βελτιώσεις στις θεραπείες γονιμότητας. Σχεδιάζουν επίσης να διερευνήσουν πιο ήπιες μεθόδους γονιδιακής επεξεργασίας που αποφεύγουν τη θραύση των κλώνων του DNA, την οποία τα έμβρυα ίσως αντιμετωπίσουν ευκολότερα.
“Στο μέλλον, τέτοιες μέθοδοι μπορεί να προσφέρουν τη δυνατότητα αντιστροφής μεταλλάξεων που έχουν πλήξει οικογένειες επί γενεές, αποτρέποντας την κληρονομικότητα καταστροφικών διαταραχών”, κατέληξε η Kubikova.
Την έρευνα σχολίασε η Karen Sermon, PhD, καθηγήτρια γενετικής και εμβρυολογίας στο Vrije Universiteit Brussel και εκλεγμένη πρόεδρος του ESHRE. “Πρόκειται για μια εξαιρετική μελέτη της Dr. Kubikova και των συνεργατών της”, δήλωσε η Sermon. “Υπογραμμίζει τη σημασία του γιατί η γονιδιακή επεξεργασία πρέπει να διερευνηθεί και να κατανοηθεί σε βάθος προτού γίνει οποιαδήποτε προσπάθεια γονιδιακής επεξεργασίας ανθρώπινων εμβρύων.
“Νομίζω ότι είναι πιθανό η γονιδιακή επεξεργασία να γίνει ένα χρήσιμο εργαλείο κάποια στιγμή στο μέλλον για την πρόληψη της γέννησης μωρών με σοβαρές γενετικές ασθένειες σε περιορισμένο αριθμό περιπτώσεων όπου δεν θα εφαρμοζόταν ο προεμφυτευτικός γενετικός έλεγχος. Ωστόσο, αυτή η έρευνα δείχνει έναν από τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να πάει στραβά. Θα περάσει αρκετός καιρός προτού μπορέσουμε να είμαστε σίγουροι ότι κατανοούμε πραγματικά πώς να το χρησιμοποιήσουμε με επιτυχία χωρίς ανεπιθύμητες και απροσδόκητες εκπλήξεις. Θα απαιτηθεί αυστηρή ρύθμιση. Εν τω μεταξύ, μια προσεκτική έρευνα όπως αυτή μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά και μπορεί επίσης να βοηθήσει στην κατανόηση του τρόπου βελτίωσης των θεραπειών γονιμότητας”.