L'esperimento di editing genomico, effettuato in embrioni umani con la tecnica CRISPR, sposta i confini scientifici ed etici e apre una speranza alla cura delle malattie monogeniche
Portland (U.S.A.) – Un nuovo esperimento apre uno spiraglio di speranza per la cura delle oltre 10mila malattie provocate dalla mutazione di un solo gene. Il team guidato dal biologo della riproduzione Shoukhrat Mitalipov ha infatti utilizzato l'editing del genoma per correggere un gene che è causa di una condizione cardiaca potenzialmente fatale. Il gruppo, composto da ricercatori statunitensi, cinesi e sudcoreani, ha utilizzato in decine di embrioni umani il sistema di editing genomico CRISPR-Cas9, che consente agli scienziati di apportare precise modifiche genetiche con relativa facilità, per correggere una mutazione che è causa di malattia. Lo studio rappresenta un miglioramento significativo, in quanto a efficacia e accuratezza, rispetto ai tentativi precedenti da parte degli scienziati cinesi che per primi avevano sperimentato la tecnica sull'uomo (clicca qui per approfondimenti).
I ricercatori hanno mirato a una mutazione in un gene chiamato MYBPC3. Queste mutazioni portano il muscolo cardiaco ad ispessirsi: una condizione nota come cardiomiopatia ipertrofica, che è la principale causa di morte improvvisa nei giovani atleti. La mutazione è dominante, il che significa che per un bambino è sufficiente ereditare solo una copia del gene mutato per subirne gli effetti. Nell'esperimento di editing genomico, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature, gli embrioni non erano destinati all'impianto.
Il team ha inoltre affrontato due ostacoli di sicurezza che hanno messo in discussione l'applicazione di CRISPR-Cas9 alla terapia genica umana: il rischio di apportare ulteriori modifiche genetiche indesiderate (chiamate mutazioni fuori bersaglio) e quello di generare degli 'embrioni a mosaico', in cui le cellule contengono sequenze genetiche diverse fra loro. I ricercatori affermano di non aver trovato alcuna evidenza di cambiamenti genetici fuori bersaglio e di aver generato soltanto un mosaico in un esperimento che ha coinvolto 58 embrioni.
Modifiche ad alto potenziale
Molti team in Cina hanno già utilizzato il CRISPR-Cas9 per alterare dei geni correlati a malattie in embrioni umani. In Svezia e nel Regno Unito sono in corso dei progetti che utilizzano la tecnica per studiare le fasi iniziali di sviluppo negli embrioni umani. Questa ricerca è finalizzata alla comprensione della biologia riproduttiva e dello sviluppo, oltre che a risolvere alcune delle cause degli aborti spontanei.
Nell'ultimo studio pubblicato su Nature, gli esperimenti sugli embrioni sono stati condotti negli Stati Uniti e guidati da Shoukhrat Mitalipov, uno specialista di biologia della riproduzione presso la Oregon Health and Science University di Portland. Gli Stati Uniti non consentono che i fondi federali siano utilizzati per la ricerca che coinvolge embrioni umani, ma il lavoro non è illegale se è finanziato da donatori privati.
A febbraio, un'influente relazione delle Accademie Nazionali americane della Scienza e della Medicina ha concluso che agli scienziati dovrebbe essere consentito di utilizzare l'editing genomico negli embrioni umani a scopo di ricerca (clicca qui per approfondimenti). Il rapporto ha anche affermato che, in definitiva, può essere accettabile utilizzare la tecnica per alterare gli embrioni destinati all'impianto, se l'obiettivo è quello di curare una malattia devastante e se non esistono altre alternative ragionevoli.
Le misure di sicurezza
La squadra di Mitalipov ha compiuto notevoli progressi per migliorare la sicurezza della tecnica. Il sistema CRISPR richiede un enzima chiamato Cas9, che taglia il genoma in un punto preciso, guidato da una molecola di RNA. Generalmente, i ricercatori che desiderano modificare un genoma inseriscono del DNA che codifica per le componenti CRISPR nelle cellule e si affidano poi ai meccanismi delle cellule per generare le proteine e l'RNA necessari. Il team di Mitalipov, invece, ha iniettato la proteina Cas9, legata al suo RNA guida, direttamente nelle cellule.
“Poiché la proteina Cas9 si degrada più velocemente rispetto al DNA che la codifica, all'enzima rimane meno tempo per tagliare il DNA”, ha spiegato l'ingegnere genetico Jin-Soo Kim dell'Institute for Basic Science di Daejeon, Corea del Sud e co-autore dello studio. “Il Cas9 si degrada rapidamente. Non c'è molto tempo perché si accumulino mutazioni fuori bersaglio”.
Anche così, Kim rileva che il tasso di errore del CRISPR-Cas9 può variare a seconda di quale sequenza di DNA si prenda di mira. In particolare, era già previsto che la mutazione in MYBPC3 producesse relativamente poche possibilità di tagli fuori bersaglio.
“Solo perché il team non ha trovato delle modifiche fuori bersaglio, non significa che non ci siano”, avverte Keith Joung, che studia l'editing genetico presso il Massachusetts General Hospital di Boston. “Anche se questa è probabilmente l'indagine più ampia mai condotta sugli effetti fuori bersaglio negli embrioni umani a genoma modificato, i ricercatori dovrebbero fare molto di più per stabilire con certezza se gli effetti off-target si verificano o meno in questo contesto”.
I mosaici sono ridotti al minimo
I ricercatori hanno anche cercato di ridurre il rischio di mosaici, iniettando contemporaneamente nell'embrione sia le componenti CRISPR-Cas9, sia lo sperma per fecondarlo. Questo metodo era già stato sviluppato nel periodo dei precedenti esperimenti di modifica dell'embrione umano e gli studi sugli embrioni dei topi hanno dimostrato che la tecnica può eliminare i mosaici quando si prende di mira il genoma del padre.
In un esperimento che il gruppo di Mitalipov ha eseguito in 58 embrioni umani fecondati con spermatozoi portatori della mutazione in MYBPC3, 42 sono stati modificati con successo per contenere due copie normali del gene MYBPC3. Solo uno era un mosaico. A titolo di confronto, la squadra ha scoperto che quando il meccanismo CRISPR-Cas9 è stato iniettato 18 ore dopo la fecondazione, 13 dei 54 embrioni trattati erano diventati mosaici.
“Il ridotto tasso di mosaici e l'eccezionalmente elevata efficienza dell'editing genomico danno rilievo allo studio”, afferma il biologo di cellule staminali Fredrik Lanner del Karolinska Institute di Stoccolma, co-autore di un commento che accompagna l'articolo. “Sono necessarie ulteriori prove per dimostrare che il ridotto tasso di mosaici vale anche per altri obiettivi di modifica del gene, ma per ora è un passo enorme in quella direzione”.
Anche Lanner sta modificando i geni degli embrioni umani per apprendere di più sulla biologia dello sviluppo, ma osserva che in Svezia è illegale creare embrioni solo per motivi di ricerca. Lui, infatti, deve usare gli embrioni in eccesso delle cliniche di fertilità (creati utilizzando cellule uovo già fecondate): un fatto che rende impossibile attuare il tipo di studio del gruppo di Mitalipov, in cui il sistema CRISPR-Cas9 viene introdotto contemporaneamente allo sperma.
Nessun 'bambino su misura'
“L'efficienza dell'editing genomico nella pubblicazione di Nature è emozionante”, ha commentato il biologo di cellule staminali George Daley del Boston Children’s Hospital. “È il primo passo per dimostrare che questa tecnologia potrebbe diventare operativa. Ma è ancora molto prematuro”.
La preoccupazione di Daley è che il successo riportato nel documento possa motivare altri clinici a tentare la tecnica prima che sia stata completamente testata. Il biologo cita come esempio una tecnica sperimentale chiamata terapia sostitutiva mitocondriale, che mira a trattare gli embrioni per un disturbo che disabilita i mitocondri, le strutture cellulari che hanno la funzione di produrre energia. Lo scorso settembre, un medico ha eseguito questa tecnica in una clinica di fertilità in Messico, anche se molti esperti ritenevano che non fosse ancora pronta per la pratica clinica. Da allora, i giornali hanno riportato la notizia di altri medici che l'hanno impiegata.
Il biologo dello sviluppo Robin Lovell-Badge del Francis Crick Institute di Londra condivide questi timori. Ma osserva che le preoccupazioni circa i 'bambini su misura' – che sono stati geneticamente migliorati, anziché correggere soltanto le mutazioni che causano una malattia – possano essere in qualche misura attenuate dal nuovo studio. Nei suoi esperimenti, infatti, il gruppo di Mitalipov ha fornito un filamento di DNA che servisse da modello per riscrivere la mutazione che causa la malattia. Ma sorprendentemente, per riparare la mutazione in MYBPC3 portata dallo sperma del padre, gli embrioni non hanno usato come guida il modello fornito dai ricercatori, ma il DNA della madre. “Questo è tutt'altro che un passo verso i bambini su misura”, sottolinea Lovell-Badge. “Suggerisce che non si possa aggiungere nulla che non fosse già presente”.