Pod koniec ubiegłego roku chiński uczony He Jiankui ogłosił, że poddał mody fikacjom genetycznym zarodki uzyskane metodą in vitro, z których rozwinęły się co najmniej dwie dziewczynki. Celem modyfikacji miało być zapewnienie dzieciom częściowej odporności na infekcję HIV. He Jiankui liczył na wiel ką sławę i Nagrodę Nobla, doczekał się jednak międzynarodowego linczu. Co prawda amerykański tygodnik „Time” zaliczył go do grona najbardziej wpływowych osób na świecie, ale nie był to wyraz uznania. „Jego lekkomyślne eksperymenty dowiodły, że dość łatwo można zmodyfikować genetycznie ludzkie zarodki i zarazem że bardzo trudno jest to zrobić dobrze” – tak na łamach tygodnika skomentowała to prof. Jennifer Doudna z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, jedna z twórczyń metody CRISPR, którą posłużył się chiński badacz.
Część naukowców zaapelowała, by podobne eksperymenty zostały zakazane na całym świecie. Inni twierdzą jednak, że potrzebny jest jedynie lepszy nadzór nad badaniami, które – czy tego chcemy, czy nie – będą prowadzone i tak. – Oczywiście to jest udoskonalanie DNA ludzi, a my jako społeczeństwo nie jesteśmy jeszcze gotowi, by o tym rozmawiać. Ale jeśli nie zaczniemy usprawniać naszego genomu, możemy za jakiś czas przestać istnieć jako gatunek – ostrzega prof. Krzysztof Łukaszuk, kierownik Klinik Leczenia Niepłodności Invicta. Jego zdaniem inżynieria genetyczna może dać nam odporność na groźne choroby zakaźne takie jak grypa pandemiczna, nowotwory złośliwe, a nawet na działanie promieniowania kosmicznego, na które narażeni będą astronauci podczas dalekich misji.
EMBRIONY DO WYBORU
Każdy rozmnażający się płciowo gatunek na Ziemi dąży do tego, by mieć jak najbardziej genetycznie udane potomstwo. Ludzie nie są tu wyjątkiem – dobieramy się w pary, zwracając uwagę na cechy partnera świadczące o tym, że jest zdrowy i płodny. Jednak to, co dzieje się podczas naturalnego zapłodnienia, można porównać do loterii. Nigdy nie wiemy, jak połączą się geny matki i ojca – nawet płeć dziecka jest dla nas niespodzianką. A przynajmniej tak było do opracowania metod rozrodu wspomaganego, z których najbardziej znane jest zapłodnienie in vitro. Jest ono stosowane z powodzeniem od 1978 roku u par cierpiących na zaburzenia płodności. Polega na pobraniu komórek jajowych i plemników, połączeniu ich w warunkach laboratoryjnych, a następnie wszczepieniu zarodka do macicy matki. Choć zabieg ten budzi kontrowersje, jest uznaną metodą leczniczą, a jeden z naukowców biorących udział w jej opracowaniu dostał Nobla.
Sama procedura in vitro sprawia, że rozmnażanie się przestaje być procesem losowym. Jeśli w laboratorium powstanie kilka zarodków, embriolog ogląda je pod mikroskopem i ocenia, który z nich rozwija się prawidłowo i może dać początek ciąży. Taką ocenę do dziś przeprowadza się „na oko”, ale to może się wkrótce zmienić. Naukowcy z Uniwersytetu Cornell opracowali algorytm sztucznej inteligencji, który mógłby w przyszłości zastąpić embriologa. – Ocena człowieka jest z natury bardzo subiektywna. Chcemy ją zastąpić systemem, który zwiększa szanse na prawidłowy przebieg ciąży i narodziny zdrowego dziecka – wyjaśnia prowadzący badania dr Zev Rosenwaks. O krok dalej idzie technika zwana diagnostyką preimplantacyjną (PGD).
To ocena statusu zarodków na podstawie badań DNA. Jeśli wiadomo, że rodzice są nosicielami genów nieuleczalnej choroby, wybór zarodków nieobciążonych genetycznie pozwala im na posiadanie zdrowszego dziecka. Nie będzie ono idealne – może przecież zachorować na setki innych chorób – ale ma większe szanse przyjść na świat bez choroby niż przy naturalnym poczęciu. Lekarze mogą pobrać komórki embrionu i sprawdzić, czy zawierają wadliwe chromosomy lub geny, a następnie wszczepić matce tylko te zarodki, które są zdrowe. – Wykonaliśmy do tej pory kilka tysięcy takich badań. Dla rodziców obciążonych genetycznie to jedyna szansa na zdrowe dziecko, a dla medycyny to możliwość „wyczyszczenia” naszego DNA z genów odpowiedzialnych za ciężkie, wyniszczające choroby – przekonuje prof. Łukaszuk. Na liczącej ponad tysiąc pozycji liście schorzeń, których można uniknąć dzięki PGD, znajdują się m.in. mukowiscydoza, fenyloketonuria, choroba Huntingtona, różne odmiany hemofilii i zaniku mięśni (dystrofii).
Te zarodki, które mają uszkodzony DNA, lekarze do tej pory albo po prostu niszczyli, albo – jak to się przyjęło w Polsce – zamrażali na czas nieokreślony licząc na to, że kiedyś ich geny będzie można naprawić. Szansę na to dają dopiero nowe metody modyfikacji genomu.
POPRAWIANIE DNA
Choć największy rozgłos do tej pory zyskał zeszłoroczny eksperyment He Jiankui, prace nad modyfikowaniem ludzkich zarodków przeprowadzono w Chinach już trzy lata wcześniej. Dokonał tego Junjiu Huang pracujący na Uniwersytecie Sun Jat-sena w Kantonie. Jako pierwszy dowiódł, że metodę CRISPR służącą do precyzyjnego wprowadzania zmian w DNA można wykorzystać do usunięcia z genomu niepożądanych mutacji. Junjiu Huang wykorzystał do badań zarodki, które powstały w klinikach oferujących zapłodnienie in vitro i zostały odrzucone ze względu na wady budowy. Takie embriony nie mogłyby rozwinąć się w istoty ludzkie. Uczony zmodyfikował w tych zarodkach gen, którego mutacje prowadzą do dziedzicznej choroby zwanej talasemią (niedokrwistość wywołana przez wadliwą budowę hemoglobiny). Zabieg wywołał kontrowersje.
Najważniejsze czasopisma naukowe świata odmówiły opublikowania pracy Chińczyka, który pod wpływem krytyki wycofał się z dalszych badań. – To nie był i nadal nie jest właściwy czas na takie eksperymenty, ale sądzę, że będą one kontynuowane. Modyfikowanie zarodków nie jest bardzo trudne technicznie – mówił Junjiu Huang niedługo przed wybuchem kolejnego skandalu. Eksperyment He Jiankui miał znacznie poważniejsze konsekwencje, ponieważ zmodyfikowane dzieci przyszły na świat. Uczony zatrudniony na Południowym Uniwersytecie Nauki i Technologii w Shenzen zajmował się siedmioma parami starającymi się o dziecko metodą in vitro. Zarodki były zdrowe – He Jiankui zmodyfikował ich geny tak, by dać dzieciom odporność na infekcję wirusem HIV. W wyniku tego zabiegu na świat miały przyjść bliźniaczki Lulu i Nana.
Teoretycznie jest to dobra wiadomość. – Dzięki takiej technologii moglibyśmy naprawić wszystkie błędy genetyczne w zarodkach – także w tych, które dziś są zamrożone. Moglibyśmy nawet usunąć wadliwe geny z komórki jajowej przed zapłodnieniem, by nie ingerować w zarodek – mówi prof. Łukaszuk. Diabeł tkwi jednak w szczegółach.
NIEUNIKNIONE BŁĘDY
Do dziś nie wiadomo, co tak naprawdę zrobił He Jiankui i w jakim stanie są dzieci, które podobno powołał do życia. A ryzyko związane z modyfikacjami tego typu jest
ogromne. Zastosowana przez uczonego metoda CRISPR jest tania i dokładniejsza niż wcześniej wykorzystywane techniki, ale wciąż daleka od ideału. Eksperymenty
BADANIA ZAPOBIEGANIE CHOROBOM. NA CZYM POLEGA DIAGNOSTYKA PREIMPLANTACYJNA?
Dzięki badaniom genetycznym można wyselekcjonować zarodek, który nie jest obciążony chorobami dziedzicznymi
1. Od rodziców pobierane są komórki jajowe oraz plemniki.
2. Z zarodków w stadium blastocysty pobiera się komórki do analizy
3 Sekwencjonowanie DNA ustalić, czy komórki zarodka są wolne pozwala od chorobotwórczych genów i wad chromosomów (ich liczby i budowy).
4 Zarodki, które nie spełniają tych kryteriów, są zamrażane.
5 Wyselekcjonowane zarodki wszczepia się do macicy matki. Jeśli wszystko pójdzie dobrze – czyli średnio w 60 proc. przypadków – rozwinie się z nich dziecko nieobciążone wadliwymi genami
prowadzone na zwierzętach wykazały, że stosowanie jej u zarodków często powoduje tzw. mozaikowatość. Oznacza to, że zmiany DNA pojawiają się tylko w części komórek embrionu, a w innych nie. Nie ma wówczas gwarancji, że pożądana przez badaczy cecha – taka jak odporność na HIV – w ogóle się pojawi. Co gorsza, CRISPR czasami powoduje też inne zmiany genetyczne niż te, o które chodziło naukowcom. Podczas tej procedury – w dużym uproszczeniu – dochodzi do przecięcia dwóch nici DNA i zastąpienia wadliwego genu jego prawidłową wersją. Ale czasami nowy odcinek DNA nie trafia we właściwe miejsce, lecz ląduje w innym obszarze genomu. Takie błędy mogą np. doprowadzić do tego, że Lulu i Nana będą bardziej podatne na choroby nowotworowe.
Tych wad nie są pozbawione nawet najnowsze narzędzia służące do modyfikowania genomu – tzw. edytory zasad, które przecinają tylko jedną nić DNA i zmieniają pojedyncze „litery” w zapisie genetycznym. Zespół kierowany przez prof. George’a Churcha z Harvardu doniósł niedawno, że za pomocą takich edytorów można zmienić aż 13 tys. odcinków DNA w jednej komórce. Teoretycznie oznacza to, że możliwe byłoby bardzo szczegółowe zaprojektowanie zarodka – pozbawienie go mutacji powodujących choroby, ale też dodanie takich, które zwiększają np. wzrost czy inteligencję (te cechy uzależnione są od dziesiątek, a nawet setek genów).
Jednak badania przeprowadzone na tej samej uczelni wykazały też, że edytory zasad mogą wywołać bardzo dużo niechcianych zmian w materiale genetycznym komórki – nie tylko w DNA, ale też w cząsteczkach RNA, które sterują wytwarzaniem białek. W przypadku eksperymentów na mikrobach, roślinach czy zwierzętach nie jest to wielki problem. Naukowcy mogą stworzyć setki czy tysiące zmodyfikowanych komórek, a potem wybrać spośród nich te, które są pozbawione groźnych błędów (pomóc w tym mają algorytmy sztucznej inteligencji). Zupełnie inaczej wygląda to, gdy mamy do czynienia z zaledwie kilkoma ludzkimi zarodkami. Tu każda pomyłka może mieć fatalne skutki. Nawet jeśli uda się zwiększyć precyzję metod takich jak CRISPR i edytory zasad, trzeba będzie wielu prób, aby otrzymać „idealny” zarodek – a to oznacza, że niezbędny będzie duży zapas komórek rozrodczych obojga rodziców.
KOPIA ZAPASOWA PŁODNOŚCI
Skąd je wziąć? W przypadku plemników nie powinno być problemu, ale inaczej wygląda to u kobiet. Każdy jajnik ma ograniczoną liczbę komórek jajowych, których co miesiąc ubywa. Po osiągnięciu maksimum w okolicach 20. roku życia, czynność jajników zaczyna słabnąć. Po czterdziestce proces ten nabiera tempa i choć historia zna przypadki naturalnego urodzenia dzieci przez siedemdziesięciolatki, są to nieliczne wyjątki. Kobiety mogły zdecydować się na pobranie komórek jajowych i zachowanie ich na później w bankach działających podobnie jak te gromadzące spermę. Problem polega na tym, że żeńskie komórki – w odróżnieniu od męskich – są nieliczne i delikatne, więc po odmrożeniu często były bezużyteczne. Jednak techniki bankowania są wciąż doskonalone i obecnie taka usługa jest już niemal standardem np. w USA. Pobranie komórek jajowych wymaga farmakologicznego pobudzenia jajników. Jeszcze kilka lat temu tego typu zabieg miał niemal zawsze związek z zapłodnieniem in vitro. Dziś co czwarty ma
na celu wyłącznie umieszczenie komórek w banku. Są nawet firmy, takie jak Facebook, Google czy Apple, które oferują swoim pracownicom tego typu usługi za darmo.
TERAPIA RATOWANIE ŻYCIA RODZEŃSTWA DZIECI RATUNKOWE
Selekcjonowanie zarodków otwiera nowe możliwości w medycynie. Jedna z nich to tzw. dzieci ratunkowe, czyli takie, które mogą uratować życie chorego rodzeństwa. Aby powołać je do życia, trzeba skorzystać z zapłodnienia in vitro i procedury PGD. Jednak u zarodka sprawdza się nie tylko to, czy nie jest obciążony chorobotwórczymi genami, ale też czy będzie mógł być dawcą komórek do przeszczepu dla chorego brata lub siostry. Jako pierwszy zajął się tym amerykański lekarz prof. Mark Hughes. Postanowił on pomóc rodzinom walczącym o życie swych dzieci chorujących na niedokrwistość Fanconiego. Schorzenie to powoli niszczy szpik kostny, prowadząc do śmierci. Ratunkiem jest przeszczep, o ile uda się znaleźć dawcę komórek. Po latach prób pierwsze dziecko ratunkowe przyszło na świat w rodzinie Nashów.
W 2000 r. urodzony w wyniku in vitro i selekcji zarodków Adam uratował życie swojej siostry Molly dzięki przeszczepowi komórek z krwi pępowinowej. Dzieci ratunkowe żyją także w Polsce. Pierwsze z nich urodziło się w grudniu 2012 r., by pomóc bratu cierpiącemu na zespół XLP, rzadką wadę genetyczną, która nie ujawnia się, dopóki organizmu nie zaatakuje pospolity wirus Epsteina-Barr.
Wywołuje on mononukleozę zakaźną, czyli coś, co przypomina anginę. Jednak u chorych na XLP wirus ten niszczy układ odpornościowy. Niegroźna dla większości z nas infekcja może zabić od razu albo doprowadzić do rozwoju groźnych dla życia nowotworów. Także i w tym przypadku małego pacjenta z XLP uratował przeszczep komórek od dziecka urodzonego dzięki in vitro i PGD.
Inne techniki idą jeszcze dalej. Pod koniec XX wieku okazało się, że zamrażanie dobrze znoszą same jajniki. Z początku zabiegi takie przeprowadzano u kobiet, które miały zostać poddane agresywnemu leczeniu, np. chemio- lub radioterapii nowotworów. Jego skutkiem ubocznym jest zniszczenie jajników, co oznacza przedwczesną menopauzę oraz bezpłodność. Wystarczyło jednak pobrać jajnik przed zabiegiem, pokroić go na cienkie skrawki i zamrozić, by następnie przeszczepić tkankę pacjentce po zakończeniu leczenia.
W ten sposób można przesunąć granice płodności w czasie nawet do wieku, w którym kobiety są z reguły babciami. Ginekolodzy twierdzą, że macica praktycznie się nie starzeje, o ile tylko jest regularnie „dożywiana” hormonami. Narząd ten można więc przygotować na przyjęcie zarodka także u kobiety po sześćdziesiątce. – Możemy sobie wyobrazić, że za jakiś czas standardem stanie się pobieranie tkanki z jednego jajnika od kobiet w wieku 20–30 lat. Pocięcie jej na paski sprawia, że można każdy z nich odmrażać osobno i potem kolejno wszczepiać pacjentce. Jeden taki skrawek, mający powierzchnię ok. 2 cm kw., po transplantacji działa przez jakieś dwa–trzy lata – mówi prof. Łukaszuk. Kilkanaście takich skrawków wystarczyłoby na przedłużenie płodności kobiety o co najmniej 20 lat!
KOMÓRKI BEZ OGRANICZEŃ
Jednak ingerencja w jajnik to zabieg inwazyjny, obarczony ryzykiem powikłań i dość drogi. Czy nie dałoby się uzyskać komórek rozrodczych w jeszcze prostszy sposób? Część naukowców twierdzi, że tak. W 2005 r. zespół kierowany przez dr. Jonathana Tilly’ego, pracującego wówczas na Uniwersytecie Harvarda opublikował przełomowe badania. Wynikało z nich, że komórki jajowe w dorosłym organizmie mogą powstać nie tylko dzięki jajnikom. Ich źródłem mogą być komórki pobrane z innych narządów – szpiku kostnego, a nawet skóry. Wystarczy tylko namnożyć je w laboratorium i ukierunkować ich rozwój tak, by stały się komórkami rozrodczymi.
Badania wzbudziły ogromne kontrowersje. Część uczonych ogłosiła, że opisanych przez dr. Tilly’ego eksperymentów nie udało się powtórzyć, co stawia całe odkrycie pod znakiem zapytania. Mimo to uczeni z Harvardu założyli firmę OvaScience i ogłosili, że będą pracowali nad komercyjną metodą hodowli komórek jajowych i plemników. Z takiej technologii mogliby korzystać w pierwszej kolejności ludzie, którzy nie są zdolni do produkcji własnych komórek rozrodczych. Docelowo jednak miała to być usługa dostępna dla wszystkich chętnych.
Kilka lat temu o OvaScience było bardzo głośno. – Pracujemy m.in. nad genetycznym udoskonalaniem komórek jajowych, aby wyeliminować choroby dziedziczne – chwalił się w 2015 r. dr Tilly. W szczytowym okresie wartość jego firmy wyceniano na 1,8 mld dolarów. Okazało się jednak, że hodowanie komórek jajowych było zbyt trudnym technicznie wyzwaniem. OvaScience nie doprowadziła do rewolucji – jej akcje straciły na wartości, aż została wykupiona przez inną firmę zajmującą się badaniami nad terapiami genowymi.
GENETYCZNA ARYSTOKRACJA?
Takie porażki nie zniechęcają jednak innych. Nad hodowaniem komórek płciowych i modyfikowaniem ich pracują bez większego rozgłosu laboratoria na całym świecie. A zaangażowani w te prace uczeni bardzo ostrożnie wypowiadają się w kwestii genetycznego modyfikowania ludzi. Przykładem może być prof. George Church z Harvardu, znany m.in. z pomysłu na przywrócenie do życia mamutów. Na wykładach opowiada on m.in. o dziesięciu naturalnych wariantach genetycznych dających ludziom „supermoce” takie jak wyjątkowo twarde kości czy odporność na chorobę wieńcową i alzheimera.
Jego zdaniem wyposażenie przyszłych pokoleń w takie geny będzie kiedyś równie oczywiste jak dziś podawanie szczepień ochronnych. Pytanie tylko, ilu ludzi będzie stać na takie modyfikacje. Dziś sam zabieg zapłodnienia in vitro to wydatek rzędu 6–7 tys. zł. Badania genetyczne zarodka mogą kosztować nawet kilkanaście tysięcy złotych. Jeśli dodamy do tego koszty ingerencji w DNA embrionu, możemy z łatwością przekroczyć 100 tys. zł. A to oznacza, że na najlepsze geny będzie stać tylko najbogatszych. Prof. Maxwell Mehlman, bioetyk z Uniwersytetu Case’a i Western Reserve, już ponad 20 lat temu przewidywał, że w ten sposób powstanie nowa arystokracja zwana „genobility”: ludzie wyjątkowo długowieczni, sprawni i odporni na choroby.
Czy to oznacza, że ingerencje genetyczne tylko pogłębią rozwarstwienie społeczeństwa, zamiast posłużyć całej ludzkości? – Wszystkie nowe technologie początkowo są drogie,
ale z czasem tanieją. Z modyfikowaniem genów będzie podobnie – w przyszłości stanie się łatwo dostępne i powszechne – uważa Grzegorz Lindenberg, autor książki „Ludzkość poprawiona”. Na razie jednak nawet zapłodnienie in vitro wciąż jest bardzo drogie. Zdaniem prof. Łukaszuka wynika to przede wszystkim z dużych nakładów związanych z koniecznością zapewnienia odpowiedniej infrastruktury i zatrudnienia doświadczonych specjalistów. W przypadku PGD problemem są wysokie ceny dyktowane przez firmy sprzedające odczynniki, niezbędne do przeprowadzenia procedury. – To się może zmienić, jeśli doczekamy się interwencji państwa. Dobrym przykładem są negocjacje w sprawie cen leków refundowanych czy szczepionek. Gdyby procedury takie jak PGD były finansowane ze środków publicznych, ceny spadłyby i skorzystałoby z tego więcej par – uważa prof. Łukaszuk. Na razie jednak poprawianie genów przyszłych pokoleń jest dostępne tylko dla nielicznych potrzebujących.
Jan Stradowski – szef działu nauki „Focusa” z wykształcenia lekarz, z zamiłowania biolog i przyrodnik. W radiu TOK FM prowadzi audycję „Człowiek 2.0”.
współpraca: Marcin Powęska