Doorbraak in CRISPR-Cas9-behandeling voor erfelijke aandoeningen

Eind vorig jaar werd door de FDA de eerste behandeling met de genetische ‘kniptechniek’ CRISPR-Cas9 goedgekeurd voor sikkelcelanemie. Het gaat om een ex-vivotherapie: stamcellen werden met de techniek voorbehandeld en daarna teruggegeven aan de patiënt.

Maar het kan ook in vivo: een paar jaar geleden kregen zes mensen met erfelijke ATTR amyloïdose de ‘moleculaire schaar toegediend via lipide nanopartikels, kleine vetbolletjes.

De CRISPR-Cas9-techniek draait om de toepassing van twee moleculen: een gids-RNA en een CRISPR-associated protein (Cas-eiwit). Het gids-RNA bestaat uit een twintigtal nucleotiden die precies complementair zijn aan de nucleotiden in een stukje DNA dat geknipt moet worden. Het gidsstukje leidt daarbij het Cas-eiwit naar de juiste plek in het DNA waar dat het betreffende gen in twee stukken kan knippen. Zo kun je in principe een gen toevoegen, repareren of uitschakelen. Vooral dat laatste vindt al brede toepassing in onderzoek. Je kunt er bijvoorbeeld proefdiermodellen mee maken, waarin een gen is uitgezet (knock-out). In planten, dieren, en mensen wordt de techniek inmiddels ingezet om fundamentele biologische vragen te beantwoorden, medische diagnostiek te doen, nieuwe vormen van behandeling te realiseren, en betere gewassen te produceren. Zo wordt de techniek bijvoorbeeld gebruikt om de verscheidenheid aan kankerveroorzakers en -regulatoren te identificeren.

Knipgereedschap

Aan de in-vivotoepassingen kan nu een, deels Nederlands, succes worden toegevoegd. Onderzoekers/artsen van het Amsterdam UMC slaagden er samen met collega’s uit Nieuw- Zeeland en het VK in om met dezelfde lipide nanopartikels als in die studie naar ATTR amyloïdose tien patiënten met hereditair angio-oedeem (HAE) van hun ziekte te verlossen.

HAE is een aangeboren aandoening waarbij er een tekort is aan het eiwit C1-esteraseremmer. Hierdoor hebben zij last van zwellingen in de huid en slijmvliezen.

De onderzoekers richten zich op een ander eiwit: kallikreïne. Dat is het eiwit dat uiteindelijk het signaal geeft waardoor de zwellingen ontstaan. Ze publiceerden hun bevindingen in The New England Journal of Medicine.

Een van hen, internist-vasculair geneeskundige Danny Cohn, legt uit hoe dit in zijn werk gaat: ‘Patiënten krijgen het genetische knipgereedschap, verpakt in die lipide nanopartikels, toegediend via een infuus. We hebben de vetbolletjes aan de buitenkant voorzien van het vetbindende eiwit apolipoproteïne E (ApoE) waarvan we weten dat het alleen in de lever wordt afgeleverd. Daar alleen namelijk zitten de receptoren die binden aan ApoE, en daar bevindt zich het doelwit van deze interventie. In het vetbolletje zit het gids-RNA en het Cas9-messenger-RNA. Dat laatste wordt getransleerd in de lever tot het Cas9-eiwit. Cas9 bindt dan aan het gids-RNA en komt zo in de celkern van uitsluitend de hepatocyten terecht. Daar gaat het op zoek naar het gen dat codeert voor kallikreïne. Daar wordt een stukje uitgeknipt. De resterende uiteinden van het DNA worden weer aan elkaar gevoegd. Wat je dan overhoudt is DNA dat codeert voor een nonsenseiwit, dat direct wordt afgebroken. Het eiwit kan dus ook niet meer het signaal doorgeven dat leidt tot pijnlijke zwellingen.’

Fase-II-trial

De oorzaak van de zwellingen, een defect in het gen dat codeert voor de C1-esteraseremmer, is dus niet weg. ‘Maar als je dat gen wilt wegknippen stuit je op het probleem dat je knipgereedschap niet in een lipide nanopartikel past – het is veel te groot. Bovendien zou je bij iedere patiënt afzonderlijk moeten nagaan waar de fout in dat gen zit, en dus zou je daar steeds opnieuw een specifiek in-vivo-CRISPR-Cas9 voor moeten maken. We hebben daarom in de hele cascade die tot de klachten leidt een andere schakel verbroken. Het resultaat: alle patiënten waren na de behandeling vrij van zwellingen’

Het in NEJM gepubliceerde onderzoek is niet placebogecontroleerd uitgevoerd. De vraag is: leent dit type onderzoek c.q. behandeling zich daar wel voor? ‘Ja’, zegt Cohn. ‘We hebben net een fase-II-trial met 25 patiënten afgerond, placebogecontroleerd met een NaCl-infuus. Of en in hoeverre een placebogecontroleerd onderzoek nodig is, ja dat is een goeie vraag. Mijn antwoord: het is een vereiste van de FDA.’

Levensverwachting

Ernstige bijwerkingen waren er niet. Die werden ook niet verwacht, omdat de onderzoekers wisten dat er een zeldzame, autosomaal recessieve aandoening bestaat waarbij mensen geen kallikreïne aanmaken. Bij hen is nimmer iets ernstigs aangetroffen, behalve een verlengde geactiveerde partiële tromboplastinetijd (APTT). ‘Ze blijken gezond, hebben geen verhoogde bloedingsneiging, en een normale levensverwachting.’

Bekend is dat het Cas9, behalve op de gewenste plek, ook op andere plekken ‘knippen’ kan zetten. Daar kunnen dan puntmutaties optreden in het DNA. Afhankelijk van waar deze ‘off target’-mutaties optreden, kan dit gevolgen hebben voor een patiënt. Op basis van al het vooronderzoek durft Cohn wel te zeggen dat het risico op ‘off target’-effecten bij zijn patiënten extreem laag is. ‘Voorafgaand aan het klinisch onderzoek is onder meer in silico, in computermodellen van het genoom, en in menselijke levercellen nagegaan wat er gebeurt als we een nog veel hogere dosis zouden geven van onze behandeling. “Knips” op andere plekken werden niet gezien.’

Andere technieken

Inmiddels staan behalve de knock-outtechniek die Cohn e.a. gebruikten, andere CRISPR-Cas9-technieken in de startblokken. Met base-editing kunnen afzonderlijke individuele DNA-basen worden veranderd, bijvoorbeeld door een A in een G om te zetten, of een C in een T. In dit geval worden doorgaans niet beide DNA-strengen doorgesneden, maar leidt Cas9 andere enzymen naar de gekozen plaats, waar ze het werk kunnen doen dat nodig is om de DNA-basen te veranderen. Base-editing-therapieën worden al gebruikt in lopende fase-I-trials, waaronder een behandeling voor hoog cholesterol en een vorm van leukemie. Maar de opmerkelijke precisie van de techniek kan alleen worden gebruikt om bepaalde DNA-sequenties te veranderen, en kan geen stukjes DNA in het genoom inbrengen. Met zogeheten prime-editing kan dat wel. Maar volgens Joy Wang en Nobelprijswinnaar Jennifer Doudna (ontdekker van CRISPR-Cas9) in een recente review in Science is deze technologie nog relatief nieuw: hoe succesvol die zal zijn, valt nog te bezien.

‘Enorm potentieel’

Cohn is intussen zeer verheugd over de bereikte resultaten: ‘Het ziet ernaar uit dat de behandeling met één enkel infuus een blijvende oplossing biedt tegen de zeer invaliderende symptomen van erfelijk angio-oedeem.’ Over hoe duur de behandeling zal zijn, wil en kan hij niets zeggen. Hij ziet ‘een enorm potentieel’ voor de ontwikkeling van vergelijkbare CRISPR-Cas9-behandelingen voor patiënten met andere erfelijke aandoeningen. ‘We zullen er in heel korte tijd veel meer van gaan horen.’ Wang en Doudna wijzen erop dat er trials gepland staan (of al in de beginfase zijn) naar zeldzame ziekten zoals progeria, ernstige gecombineerde immuundeficiëntie, en familiaire hypercholesterolemie, en naar veelvoorkomende ziekten, zoals bepaalde soorten kanker en hiv-infecties.

CRISPR technology: A decade of genome editing is only the beginning | Science