Mozaïcisme: waarom een genetische reparatie niet altijd overal doorwerkt
Stel je een vloer voor die is gelegd met tegels uit twee verschillende partijen: de meeste tegels zijn wit, maar hier en daar zit een grijze tegel tussen. Van een afstand lijkt de vloer uniform, maar van dichtbij zie je dat hij eigenlijk een lappendeken is. Zoiets gebeurt ook in levende wezens, en dan noemen biologen het mozaïcisme: een organisme bestaat dan niet uit cellen die allemaal precies hetzelfde DNA bevatten, maar uit twee of meer genetisch verschillende celgroepen naast elkaar.
Mozaïcisme komt van nature voor, bijvoorbeeld doordat er tijdens de celdeling van een embryo toevallig een kopieerfoutje in het DNA sluipt. Maar de term duikt de laatste jaren vooral op in het nieuws over gen-editing, de technologie waarmee wetenschappers met precisie-'schaartjes' zoals CRISPR foutjes in DNA proberen te herstellen. Het probleem: zo'n reparatie lukt lang niet altijd in alle cellen van een embryo tegelijk. Het resultaat is een mens, dier of embryo dat gedeeltelijk gerepareerd is en gedeeltelijk niet, met alle onzekerheid van dien.
Wat is het precies?
Een bevruchte eicel deelt zich razendsnel: na één deling zijn er twee cellen, na twee delingen vier, enzovoort. Als een genetische verandering, of dat nu een natuurlijke mutatie is of een ingreep met CRISPR, pas plaatsvindt ná de allereerste celdeling, dan erven niet alle dochtercellen die verandering. Het embryo groeit dan uit tot een mix van cellen met en zonder de verandering.
Bij gen-editing met CRISPR werkt het als volgt: onderzoekers brengen een molecuul in de cel dat een specifiek stukje DNA opzoekt en doorknipt, samen met instructies om de knip op een bepaalde manier te repareren. Gebeurt dit knippen en repareren meteen in de bevruchte eicel, vóór de eerste celdeling, dan is de kans groot dat alle cellen die daaruit voortkomen dezelfde aanpassing dragen. Gebeurt het pas later, of gaat het maar in een deel van de cellen goed, dan ontstaat mozaïcisme.
Mozaïcisme is lastig te ontdekken. Bij een IVF-behandeling (in-vitrofertilisatie, ofwel bevruchting buiten het lichaam) wordt soms een klein aantal cellen van een embryo weggenomen voor genetisch onderzoek, een biopsie. Die paar cellen geven echter geen garantie over de rest van het embryo: het biopt kan toevallig alleen 'gezonde' cellen bevatten terwijl elders afwijkende cellen zitten, of andersom.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers willen twee dingen: mozaïcisme begrijpen, en het liefst voorkomen. Het uiteindelijke doel van veel gen-editingonderzoek op embryo's is namelijk niet om al morgen baby's te maken, maar om te leren hoe vroege menselijke ontwikkeling werkt en of erfelijke ziekten ooit veilig te corrigeren zijn voordat een embryo zich verder ontwikkelt.
Voor eventuele toekomstige medische toepassingen is mozaïcisme een serieus obstakel. Als een gecorrigeerde genvariant maar in een deel van de cellen van een embryo aanwezig is, kan het kind alsnog de erfelijke aandoening krijgen die je juist wilde voorkomen, of onvoorspelbare combinaties van weefsels met en zonder de mutatie ontwikkelen. Dat maakt gen-editing in menselijke embryo's op dit moment medisch onverantwoord voor voortplanting, en in de meeste landen ook verboden.
Bij IVF-klinieken speelt een ander, praktischer belang: welke embryo's zijn veilig genoeg om terug te plaatsen bij een aanstaande moeder? Als een embryo mozaïek blijkt na testen op chromosoomafwijkingen, moeten artsen en ouders inschatten hoe groot het risico is en of terugplaatsing verantwoord is.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2017 publiceerde het team van Shoukhrat Mitalipov (Oregon Health & Science University, VS) in het tijdschrift Nature een spraakmakende studie waarin CRISPR werd gebruikt om een erfelijke mutatie in het MYBPC3-gen te corrigeren, een mutatie die een hartspierziekte veroorzaakt. Door de CRISPR-behandeling gelijktijdig met de bevruchting toe te dienen, zeiden de onderzoekers mozaïcisme grotendeels te hebben vermeden.
Die conclusie riep discussie op. Een groep rond Dieter Egli (Columbia University) betoogde in 2018 dat het 'verdwijnen' van de mutatie mogelijk anders te verklaren was, namelijk doordat het embryo het gezonde moederlijke DNA-stukje als sjabloon gebruikte in plaats van het door de onderzoekers ingebrachte sjabloon. Ook wezen zij op grote, onopgemerkte stukjes verloren DNA en op mozaïcisme dat in eerdere analyses mogelijk over het hoofd was gezien. Deze discussie laat zien hoe lastig het is om met zekerheid vast te stellen of een embryo werkelijk overal gerepareerd is.
Kathy Niakan van het Francis Crick Institute in Londen kreeg in 2016 als eerste ter wereld een vergunning van de Britse toezichthouder HFEA om CRISPR te gebruiken op menselijke embryo's voor puur wetenschappelijk onderzoek, zonder dat deze embryo's ooit tot een zwangerschap zouden leiden. Haar team onderzocht de functie van het OCT4-gen in de eerste dagen van de embryonale ontwikkeling en publiceerde de resultaten in 2017, eveneens in Nature.
Het bekendste en meest omstreden voorbeeld is dat van He Jiankui, die in november 2018 aankondigde dat er een tweeling was geboren, bekend als Lulu en Nana, van wie het CCR5-gen met CRISPR was aangepast in een poging ze resistent te maken tegen hiv. Onafhankelijke wetenschappers die de gepubliceerde data bekeken, wezen op aanwijzingen voor mozaïcisme en op zogeheten off-target effecten, ongewenste knips op andere plekken in het DNA. He Jiankui werd hierna in China strafrechtelijk vervolgd en veroordeeld; het voorval leidde wereldwijd tot strengere oproepen om menselijke kiembaanbewerking (erfelijke aanpassingen die aan het nageslacht worden doorgegeven) voorlopig niet toe te passen.
Los van CRISPR speelt mozaïcisme ook al langer een rol bij reguliere IVF. Klinieken gebruiken sinds het midden van de jaren 2010 een test genaamd PGT-A (preimplantation genetic testing for aneuploidy) om embryo's te screenen op chromosoomafwijkingen. Beroepsorganisatie PGDIS bracht hierover in 2016 en in latere, herziene versies richtlijnen uit over hoe artsen moeten omgaan met embryo's die als 'mozaïek' worden beoordeeld: soms mogen die alsnog worden teruggeplaatst, afhankelijk van het percentage afwijkende cellen dat wordt gevonden.
Hoe ver is de techniek?
Wetenschappelijk gezien is mozaïcisme een actief en nog onopgelost onderzoeksveld. Er bestaat geen betrouwbare methode om met zekerheid vast te stellen of een gen-edited embryo daadwerkelijk in alle cellen is aangepast, zonder het embryo daarvoor te vernietigen. Dat is een fundamenteel obstakel: de enige manier om echt zeker te zijn, staat haaks op het doel om het embryo verder te laten ontwikkelen.
Onderzoekers experimenteren met het vroeger toedienen van CRISPR (al in of vlak na de bevruchting) en met chemisch verbeterde varianten van de CRISPR-machinerie die nauwkeuriger zouden knippen, in de hoop mozaïcisme te verminderen. Volledig verdwenen is het probleem echter niet, en experts zijn het onderling oneens over hoeveel vooruitgang er precies is geboekt, mede door de beperkte hoeveelheid gepubliceerde data, aangezien onderzoek op levensvatbare menselijke embryo's aan strenge ethische grenzen gebonden is.
In de klinische IVF-praktijk is de kennis inmiddels iets verder: artsen hebben meer ervaring opgebouwd met mozaïek embryo's uit reguliere PGT-A-tests, en er bestaat inmiddels een voorzichtige consensus dat sommige mozaïek embryo's, afhankelijk van het type en percentage afwijking, tot gezonde zwangerschappen kunnen leiden. Toch blijft ook hier onzekerheid: een enkele biopsie geeft geen volledig beeld van het hele embryo, en de langetermijngezondheid van kinderen die uit zo'n embryo zijn geboren, wordt nog gevolgd.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten doen onder meer Oregon Health & Science University (het team van Shoukhrat Mitalipov) en Columbia University (met onderzoekers zoals Dieter Egli) fundamenteel onderzoek naar gen-editing in embryo's en de rol van mozaïcisme daarin. In het Verenigd Koninkrijk is het Francis Crick Institute in Londen, met Kathy Niakan als vooraanstaand onderzoeker, een belangrijk centrum, mede dankzij de vergunning van de Human Fertilisation and Embryology Authority (HFEA), de Britse toezichthouder op voortplantingsonderzoek.
China heeft, na het schandaal rond He Jiankui, zijn regelgeving rond kiembaanbewerking aangescherpt, maar blijft tegelijk een land waar veel fundamenteel CRISPR-onderzoek plaatsvindt, onder meer aan gerenommeerde universiteiten. Wereldwijd houden daarnaast internationale wetenschappelijke organisaties zoals de National Academies of Sciences (VS) en de World Health Organization zich bezig met richtlijnen en ethische kaders rond menselijke gen-editing, mede naar aanleiding van de onzekerheden die mozaïcisme met zich meebrengt.
In de IVF-sector zijn het vooral gespecialiseerde genetische testlaboratoria en internationale beroepsverenigingen, zoals de PGDIS en de American Society for Reproductive Medicine (ASRM), die praktijkrichtlijnen opstellen voor de omgang met mozaïek embryo's in vruchtbaarheidsklinieken over de hele wereld.