Kennisbank › CRISPR & genbewerking
CRISPR & genbewerking: hoe wetenschappers DNA leren knippen en plakken
Stel je het menselijk DNA voor als een enorm receptenboek met miljarden letters. Soms staat er ergens een typefout in een recept, en die typefout veroorzaakt een ziekte. CRISPR is in de kern een precies stukje gereedschap waarmee wetenschappers die specifieke letter in dat receptenboek kunnen opzoeken en aanpassen, zonder de rest van het boek overhoop te halen.
De techniek komt oorspronkelijk uit de natuur: bacteriën gebruiken een systeem dat lijkt op CRISPR al miljoenen jaren om zich te verdedigen tegen virussen. Onderzoekers hebben dit natuurlijke afweersysteem omgebouwd tot een gereedschapskist voor genbewerking. Daarmee kun je in theorie erfelijke ziekten repareren, gewassen resistenter maken tegen droogte, of kankercellen leren herkennen door het eigen immuunsysteem. Het is geen sciencefiction meer: de eerste CRISPR-behandeling is inmiddels goedgekeurd voor patiënten.
Wat is het precies?
CRISPR staat voor 'Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats', een naam die vooral de structuur beschrijft van herhalende DNA-stukjes die bacteriën gebruiken om virus-DNA te herkennen. Voor de praktijk is vooral het eiwit Cas9 belangrijk: een soort moleculaire schaar die DNA op een exacte plek kan doorknippen.
Het systeem werkt met twee onderdelen. Ten eerste een kort stukje RNA (de 'gids-RNA'), dat als een soort GPS-adres precies aangeeft welke DNA-sequentie moet worden gevonden. Ten tweede het Cas9-eiwit zelf, dat op die plek het DNA in tweeën knipt. Zodra het DNA is doorgeknipt, probeert de cel dat automatisch te herstellen. Onderzoekers maken daar gebruik van: ze kunnen de cel tijdens dat herstelproces een nieuw stukje DNA laten inbouwen, of de oude, foutieve letter laten verwijderen.
Een nieuwere variant heet base-editing, ontwikkeld door onder meer bioloog David Liu van het Broad Institute. Hierbij wordt het DNA niet doorgeknipt, maar wordt één losse DNA-letter chemisch omgezet in een andere, bijvoorbeeld een C in een T. Dat is preciezer en veiliger, omdat er geen dubbele streng wordt gebroken. Een verdere verfijning, prime editing, kan zelfs hele stukjes tekst in het DNA herschrijven, vergelijkbaar met 'zoeken en vervangen' in een tekstverwerker.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het genezen van erfelijke ziekten die worden veroorzaakt door één duidelijke fout in het DNA, zoals sikkelcelziekte, taaislijmziekte of bepaalde vormen van blindheid. Bij dit soort 'monogenetische' aandoeningen is precies bekend welke letter fout staat, wat CRISPR een logisch gereedschap maakt.
Daarnaast wordt de techniek ingezet in de landbouw, om gewassen te maken die beter bestand zijn tegen ziektes, droogte of verzilting, zonder dat daarbij per se vreemd DNA van een andere soort wordt toegevoegd. In de geneeskunde richt onderzoek zich ook op het 'heropvoeden' van immuuncellen, zodat ze kankercellen beter herkennen en aanvallen.
Op de langere termijn hopen onderzoekers ook complexere aandoeningen aan te pakken, zoals bepaalde vormen van hart- en vaatziekten die samenhangen met cholesterol. Belangrijk is wel dat de meeste veelvoorkomende ziektes, zoals diabetes type 2 of de meeste vormen van kanker, worden veroorzaakt door een samenspel van tientallen of honderden genen. Daar is CRISPR veel minder eenvoudig op toe te passen dan bij ziektes met één duidelijke oorzaak.
Voorbeelden uit de praktijk
Casgevy (2023) — De Amerikaanse toezichthouder FDA en de Britse MHRA keurden in 2023 de eerste CRISPR-gebaseerde therapie goed, ontwikkeld door Vertex Pharmaceuticals en CRISPR Therapeutics. De behandeling, voor sikkelcelziekte en bèta-thalassemie, haalt bloedstamcellen uit het lichaam, past ze buiten het lichaam aan met CRISPR-Cas9, en brengt ze daarna terug.
NTLA-2001 (vanaf 2021) — Het bedrijf Intellia Therapeutics publiceerde in 2021 de eerste resultaten van een CRISPR-behandeling die rechtstreeks in het lichaam wordt toegediend, via een infuus, voor de zeldzame ziekte transthyretine-amyloïdose. Dit was een belangrijke mijlpaal omdat de cellen niet buiten het lichaam hoefden te worden bewerkt.
Nobelprijs voor Doudna en Charpentier (2020) — Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier ontvingen de Nobelprijs voor de Scheikunde voor hun ontdekking van CRISPR-Cas9 als programmeerbaar gereedschap, een erkenning van het fundamentele onderzoek waarop alle latere toepassingen voortbouwen.
He Jiankui en de CRISPR-baby's (2018) — De Chinese onderzoeker He Jiankui maakte wereldwijd ophef door DNA van menselijke embryo's te bewerken, met als doel resistentie tegen hiv. De ingreep werd breed veroordeeld door de wetenschappelijke gemeenschap vanwege ethische en veiligheidsproblemen, en He werd in China veroordeeld tot een gevangenisstraf. De zaak wordt sindsdien aangehaald als waarschuwend voorbeeld bij discussies over kiembaanbewerking, oftewel aanpassingen die ook doorgegeven worden aan het nageslacht.
VERVE-101 (vanaf 2022) — Verve Therapeutics test base-editing als eenmalige behandeling tegen hoog cholesterol, door een specifiek gen (PCSK9) in de lever uit te schakelen. Het doel is een soort 'levenslange vaccinatie' tegen hartinfarcten, al bevindt dit onderzoek zich nog in een vroege klinische testfase.
Hoe ver is de techniek?
CRISPR heeft in ruim tien jaar tijd een ongewoon snelle weg afgelegd van laboratoriumontdekking (rond 2012) naar goedgekeurde behandeling (2023). Toch is nuance belangrijk: Casgevy is voorlopig de enige goedgekeurde CRISPR-therapie, en het gaat om een bewerking die buiten het lichaam plaatsvindt, wat makkelijker te controleren is dan bewerking in een levend lichaam.
Behandelingen die het DNA rechtstreeks in het lichaam aanpassen, zoals NTLA-2001, staan nog in een vroeger klinisch stadium. Belangrijke technische obstakels zijn onder meer het veilig en gericht afleveren van het CRISPR-systeem bij de juiste cellen (vaak met hulp van vetbolletjes, lipid nanoparticles genoemd), het risico op onbedoelde knips elders in het DNA ('off-target effecten'), en de zeer hoge kosten: Casgevy kost per patiënt ongeveer twee tot drie miljoen dollar, wat vragen oproept over toegankelijkheid.
Kiembaanbewerking, waarbij veranderingen ook aan kinderen worden doorgegeven, is in vrijwel alle landen verboden voor klinisch gebruik bij mensen, mede door de ervaring met He Jiankui. Onderzoek naar CRISPR bij embryo's voor puur wetenschappelijke doeleinden, zonder dat er een zwangerschap volgt, is in sommige landen wel toegestaan.
Wie werken eraan?
Het fundamentele onderzoek is sterk verbonden aan academische instituten zoals de University of California, Berkeley (het lab van Jennifer Doudna), het Max Planck Instituut in Duitsland (verbonden aan Emmanuelle Charpentier) en het Broad Institute van MIT en Harvard, waar onder meer David Liu base-editing ontwikkelde.
Op het gebied van behandelingen zijn CRISPR Therapeutics (medeopgericht door Charpentier) en Vertex Pharmaceuticals de partijen achter Casgevy. Intellia Therapeutics, mede opgericht door Doudna, werkt aan in-vivo-toepassingen zoals NTLA-2001. Andere spelers zijn Editas Medicine, Beam Therapeutics (gespecialiseerd in base-editing) en Verve Therapeutics.
Op landenniveau investeren vooral de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en China zwaar in CRISPR-onderzoek, met toezichthouders als de Amerikaanse FDA en de Britse MHRA die inmiddels ervaring hebben opgebouwd met het beoordelen van deze nieuwe soort behandelingen. Ook Nederlandse onderzoeksinstellingen, zoals het Hubrecht Instituut en verschillende universitair medisch centra, doen fundamenteel CRISPR-onderzoek, al staat klinische toepassing hier nog in de kinderschoenen.