Base editor: DNA repareren zonder te knippen
Stel je het DNA in een cel voor als een boek van drie miljard letters, geschreven met een alfabet van maar vier tekens: A, C, T en G. Soms staat er ergens in dat boek een tikfout: één verkeerde letter die een ziekte veroorzaakt, zoals sikkelcelziekte of een erfelijke vorm van hoog cholesterol. Een base editor is een stuk moleculair gereedschap dat zo'n enkele letter kan veranderen, precies op de plek waar de fout staat, zonder de rest van de pagina overhoop te halen.
Dat klinkt als een kleine ingreep, maar het is een fundamentele doorbraak in de gentherapie. Eerdere gentechnieken, zoals de bekende CRISPR-Cas9-"schaar", werken door de DNA-streng op een bepaalde plek helemaal door te knippen. De cel repareert die knip zelf, maar dat proces is foutgevoelig en kan ongewenste bijwerkingen geven. Een base editor knipt niet: het verandert scheikundig één letter in een andere, ongeveer zoals een corrector die met een fijn penseeltje één letter overschildert in plaats van de hele bladzijde eruit te scheuren en opnieuw te printen.
Wat is het precies?
Een base editor is een combinatie van twee bestaande technieken die slim aan elkaar zijn gekoppeld. Het eerste onderdeel komt uit CRISPR: een stukje geleidend RNA (guide-RNA) dat als een soort GPS-signaal precies de juiste plek in het DNA opzoekt, gebaseerd op de volgorde van letters die er staat. Normaal gesproken is dit RNA gekoppeld aan het eiwit Cas9, dat als een schaar de DNA-streng doorknipt.
Bij een base editor is dat Cas9-eiwit aangepast: het knipt niet meer volledig, maar "ontrolt" slechts een klein stukje van de dubbele DNA-helix, zodat één enkele letter tijdelijk bloot komt te liggen. Aan dit aangepaste Cas9 is een tweede onderdeel vastgeplakt: een enzym dat een deaminase heet. Dit enzym verandert scheikundig de structuur van die ene blootgelegde letter, waardoor de cel hem bij de eerstvolgende celdeling als een andere letter leest.
Er bestaan twee hoofdtypen. Een cytosine-base-editor zet de letter C om in T (en indirect G in A op de andere streng). Een adenine-base-editor, ontwikkeld iets later, doet het omgekeerde en zet A om in G. Samen kunnen deze twee varianten een groot deel van de bekende erfelijke puntmutaties -fouten van precies één letter- corrigeren. Wat een base editor niet kan, is letters toevoegen, weghalen of grote stukken DNA herschikken; daarvoor bestaat een verwant maar apart gereedschap, prime editing, dat werkt als een "zoek-en-vervang"-functie voor langere stukjes tekst.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is het rechtstreeks genezen van erfelijke ziekten die worden veroorzaakt door één foutieve letter in het DNA, in plaats van de symptomen levenslang te onderdrukken met medicijnen. Duizenden bekende aandoeningen, van sikkelcelziekte tot bepaalde vormen van doofheid en stofwisselingsziekten, ontstaan door precies zo'n puntmutatie.
Omdat base editors geen dubbele DNA-breuk veroorzaken, hopen onderzoekers ook op een veiliger profiel dan klassieke CRISPR-Cas9. Dubbele breuken kunnen namelijk leiden tot onbedoelde herschikkingen van chromosomen of het per ongeluk uitschakelen van andere genen; dat risico is bij base editing kleiner, al niet nul. Daarnaast is er de ambitie om ziekten aan te pakken die met traditionele geneesmiddelen nauwelijks te behandelen zijn, omdat de oorzaak in de kern van vrijwel elke lichaamscel zit.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest aansprekende voorbeeld is de Britse tiener Alyssa, die in 2022 in het Great Ormond Street Hospital in Londen werd behandeld voor een agressieve vorm van leukemie waarvoor geen andere opties meer bestonden. Artsen gebruikten base-edited afweercellen (CAR-T-cellen) die met meerdere precieze letterveranderingen zo waren aangepast dat ze de kankercellen konden aanvallen zonder elkaar of gezonde cellen te vernietigen. De behandeling sloeg aan en werd wereldwijd nieuws als eerste toepassing van base editing bij een patiënt.
Het Amerikaanse bedrijf Verve Therapeutics onderzoekt sinds 2022 een base-editortherapie, VERVE-101, die het gen PCSK9 in de lever uitschakelt om het LDL-cholesterol blijvend te verlagen bij mensen met een erfelijk hoog risico op hartziekten. De eerste testen bij patiënten in onder meer Nieuw-Zeeland en het Verenigd Koninkrijk toonden aan dat het principe bij mensen werkt, al werden onderweg ook bijwerkingen gemeld die tot aanpassingen in het ontwerp van de therapie leidden.
Het bedrijf Beam Therapeutics, opgericht door de uitvinders van de techniek, ontwikkelt onder de naam BEAM-101 een behandeling tegen sikkelcelziekte. Daarbij worden bloedstamcellen van de patiënt buiten het lichaam bewerkt zodat ze weer foetale hemoglobine aanmaken, een vorm van hemoglobine die het ziekmakende effect van de sikkelcelmutatie compenseert.
Ook in laboratoria wordt base editing breed gebruikt als onderzoeksinstrument: wetenschappers gebruiken het om systematisch na te gaan welke van de vele bekende puntmutaties in het menselijk genoom daadwerkelijk ziekte veroorzaken, iets wat voorheen veel trager ging met knip-gebaseerde CRISPR-technieken.
Hoe ver is de techniek?
Base editing bestaat sinds 2016, toen de eerste cytosine-base-editor werd beschreven door de groep van scheikundige David Liu aan het Broad Institute in de Verenigde Staten. De adenine-variant volgde in 2017. Sindsdien is de techniek in hoog tempo verbeterd: nieuwere versies zijn kleiner, preciezer en veroorzaken minder "bystander"-fouten, waarbij per ongeluk ook een letter vlak naast de beoogde plek wordt veranderd.
De stap van laboratorium naar patiënt is inmiddels gezet, maar het aantal behandelde mensen wereldwijd is nog beperkt tot enkele tientallen, verspreid over vroege klinische studies (fase 1 en 2). Er is nog geen door toezichthouders zoals de Amerikaanse FDA of het Europees Geneesmiddelenbureau goedgekeurde base-editortherapie op de markt.
De belangrijkste technische horde is aflevering: hoe krijg je het editor-eiwit, dat vrij groot is, precies in de juiste cellen van een levend lichaam? Voor bloed- en afweercellen kan dat buiten het lichaam (ex vivo), maar voor organen als de lever of hersenen is men afhankelijk van virale transportmiddelen (AAV-vectoren) of vetbolletjes (lipide-nanodeeltjes), die niet altijd efficiënt of specifiek genoeg zijn. Daarnaast blijven vragen over de langetermijnveiligheid, mogelijke onbedoelde veranderingen elders in het genoom (off-target-effecten) en de hoge kosten van dit soort gepersonaliseerde therapieën.
Wie werken eraan?
De techniek is oorspronkelijk ontwikkeld aan het Broad Institute of MIT and Harvard in de Verenigde Staten, in het laboratorium van scheikundige David Liu. Vanuit dat onderzoek zijn twee beursgenoteerde bedrijven ontstaan die de klinische ontwikkeling trekken: Beam Therapeutics, gericht op onder meer sikkelcelziekte en kankerimmuuntherapie, en Verve Therapeutics, gericht op hart- en vaatziekten. Prime Medicine, opgericht rond de verwante prime-editingtechniek, werkt aan aanpalende toepassingen.
Klinisch onderzoek met base-edited cellen vindt onder meer plaats in het Verenigd Koninkrijk, waar het Great Ormond Street Hospital en University College London een voortrekkersrol speelden bij de behandeling van kinderen met leukemie. Ook academische centra in de Verenigde Staten, China en verschillende Europese landen doen laboratoriumonderzoek naar nieuwe varianten en toepassingen van base editing. Instituten als het Innovative Genomics Institute, mede opgericht door CRISPR-pionier Jennifer Doudna, houden zich bezig met bredere toepassing en toegankelijkheid van dit soort gentechnieken.