Genetische ziekte uitwissen met een minuscule DNA-typemachine

Euforie in een piekje

September 2020 – Terwijl het land kopje onder gaat in de tweede coronagolf, fiets ik in een rotvaart Gasthuisberg op. Geen tijd te verliezen, want vandaag wordt een heel spannend experiment uitgelezen.

In de vroege stilte flikkeren de labo-armaturen aan en hul ik mezelf in een lange, witte overjas, labobril en blauwe handschoenen. Helemaal alleen in een donker kamertje schuif ik twee plaatjes onder de microscoop. Ik zie de typische vorm van menselijke cellen verschijnen. Op basis van een visuele vergelijking lijken de plaatjes identiek. De cellen zien er gelukkig en vredig uit. Tijd om ze uit hun zalige rust te halen en aan een meer grondige analyse te onderwerpen! Een hele dag ben ik in de weer om het DNA uit de cellen op te zuiveren. Tegen de avond snel ik met een klein zakje naar een speciale postbus.

Het vonnis arriveert twee dagen later als een bestand met piekjes. Nerveus en ongeduldig tuur ik tussen honderden piekjes tot plots … EUREKA! Op één van de posities bespeur ik een heel klein tweede piekje. Noem het een baby-piek. Meer dan een jaar al was ik hiernaar opzoek. In een euforische opwelling stuur ik “wat lijkt op een kleine bobbel, is misschien het bewijs van iets fantastisch” naar mijn collega’s. Het kleine piekje wordt de aanzet van vier jaar doorgedreven onderzoek in de laboratoria van professoren Zeger Debyser en Marianne Carlon (KU Leuven). Maar wat zat nu in dat piekje? Welnu, de piekjes geven de uitgelezen DNA-code weer. Wat ik hier in 2020 waarnam, was een eerste precieze correctie van het muco-gen. Het zou de kern van mijn onderzoek worden en de deur tot nog veel belangrijkere resultaten.

Wat is muco?

De groep van prof. Carlon zoekt al meer dan tien jaar naar oplossingen voor mucoviscidose (muco) ofwel taaislijmziekte. Muco is in Europa de meest voorkomende levensbedreigende, aangeboren aandoening en telt meer dan 100.000 patiënten wereldwijd. De ziekte wordt veroorzaakt door foutjes in muco-gen. Dat is een stuk DNA dat de instructies bevat voor een essentieel kanaaltje dat zich aan de buitenkant van onze cellen bevindt. Het kanaaltje laat toe om de slijmlagen die in verschillende organen aanwezig zijn, vochtig te houden. Kinderen die van hun ouders een kopij van het muco-gen krijgen dat een foutje bevat, maken geen werkende kanaaltjes en stapelen harde slijmen op. Dat leidt tot verstoppingen, moeilijkheden om te ademen en veroorzaakt ook infecties. Als gevolg ontwikkelt zich een ongeneeslijke en uiterst gevaarlijke longziekte. Muco is een complexe aandoening. De behandeling vergt de expertise van verschillende takken van de geneeskunde en dagelijkse interventies. De moleculaire oorzaak van alle symptomen is echter opmerkelijk simpel: één of enkele foute lettertjes in het DNA. Miljoenen euro’s en dollars werden al uitgegeven aan de zoektocht naar oplossingen voor muco. Die investeringen hebben zeker wel gerendeerd, maar tot nog toe was niemand in staat om de oorzaak aan te pakken. Niemand was in staat om die ene DNA letter om te draaien naar de juiste.

Voorbeeld van de piekjes in uitgelezen DNA resultaten. Een dubbele piek wijst op de aanwezigheid van een DNA-correctie in een deel van de cellen.

Knippen en plakken met DNA: easy toch?

In een Word-document is die klus in een paar seconden geklaard. Control + F om het foutieve woord op te sporen en daarna gewoon de correctie intypen. Helaas zijn levende wezens geen Word-documenten. De “code” die op ons DNA ligt opgeslagen bestaat niet écht uit lettertjes. ‘Onze genetische code is een complexe ketting van aaneengeschakelde biochemische moleculen. Hoewel deze wel aangeduid worden als A, C, T en G, zijn ze helemaal niet zo makkelijk te lezen of te bewerken. Om een letter in te voegen, moet de ketting geopend worden, moet een molecule bijgeplaatst worden en moet de keten daarna terug precies aan elkaar gezet worden. Bovendien is de fout vinden in het DNA al een huzarenstukje op zich. Het is alsof je in een gigantische zandbak één enkele zandkorrel wil vervangen en dat liefst zonder de andere aan te raken of te verstoren. Het is precisiewerk op een minuscuul kleine schaal.

Prime editing geneest muco in het lab

Wat ik in 2020 voor het eerst testte in het lab in Leuven was “prime editing”. Een op dat moment splinternieuwe techniek om gericht aanpassingen te maken in DNA. We maakten hiervoor gebruik van eiwitten die in de natuur evolueerden om DNA te kunnen binden en aanpassen. We programmeerden deze moleculaire machines om de muco-letter te verwijderen en precies aan te passen. Prime editing bouwt verder op de revolutionaire CRISPR-Cas techniek, maar is nog een stuk krachtiger. Ten eerste is het mogelijk om specifiek te kiezen waar het microscopisch werktuig gaat binden in het DNA. Die zoekfunctie wordt vervolgens gecombineerd met een module die omschreven kan worden als een “DNA-typemachine”. De prime editing eiwitten zullen zo eerst de juiste plek in het DNA zoeken om vervolgens de juiste chemische molecule in te voegen. Uitwissen en herschrijven, maar dan op moleculair niveau. Na het eerste succesje in 2020, optimaliseerden we de techniek. Enkele jaren later waren we in staat om cellen van mensen met muco te genezen in het lab.

Levende minidarmpjes

Een relevant manier om nieuwe therapieën te testen zijn organoïden of minidarmpjes. Deze bolvormige klompjes van cellen worden in het lab opgegroeid vanuit weefsel gedoneerd door mensen met muco. Minidarmpjes van mensen zonder muco beginnen al snel spontaan op te blazen als kleine levende ballonnetjes. In de mini-darmpjes van mucopatiënten is die reactie geheel afwezig. Het verschil kan teruggebracht worden tot het kanaaltje. Het pompen van water naar de binnenkant doet de minidarmpjes zwellen. Minidarmpjes opgegroeid vanuit cellen van mensen met muco hebben geen muco-kanaaltje en kunnen niet zwellen. Het is een zwart-wit situatie. Zwellen of niet. Werkend kanaaltje of niet. Muco of geen muco.

Na eerste testbehandeling in 2021 zagen we plots een paar zwellende minidarmpjes verschijnen in een muco-staal. Het waren er niet veel, maar dit was een bemoedigende stap voor een ongeneselijke ziekte. De persoon die deze cellen doneerde had en heeft nog steeds muco, maar hier in het lab, op kleine schaal, konden we zijn of haar cellen met één behandeling permanent genezen. Later konden we de efficiëntie serieus opkrikken en werd de techniek ook succesvol op mini-longen toegepast.

Van laboratorium naar ziekenhuis

De resultaten werden ondertussen gepubliceerd in het respectabele vakblad “Cell Reports Medicine”. Het werk toont aan dat spellingscorrectie op chromosomen niet langer science fiction is. Is onze muco-behandeling nu klaar om bij mensen toe te dienen? Nog niet onmiddellijk. Daarvoor moet eerst nog een goed vervoermiddel gevonden worden. Prime editing is een heel geavanceerde technologie en kan niet zomaar in een pilletje gegeven worden. In het Carlon lab, maar ook over de hele wereld zijn wetenschappers op zoek naar goede vervoersmiddelen voor dit soort technologie. Er is nog veel werk aan de winkel, maar we zijn hoopvol en blijven hard doorduwen tot we muco, maar bij uitbreiding ook alle andere aangeboren ziektes, voor eens en altijd kunnen genezen.

Referentie: Bulcaen et al., Cell Reports Medicine, 2024

Een langere versie van dit artikel werd in oktober 2024 gepubliceerd op Eos Blogs.

Mattijs Bulcaen dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2025. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.