Si chiama editing genomico e permette di manipolare il DNA con una precisione, versatilità e facilità mai viste finora. Proclamato migliore scoperta scientifica del 2015 promette importanti ricadute per future terapie nel campo di diverse malattie, compresa la distrofia muscolare di Duchenne.
Francesca Ceradini
Il numero di studi scientifici e di articoli di approfondimento pubblicati nel 2015 sono stati impressionanti, e il ritmo non accenna a diminuire con l’arrivo del 2016. Tutta l’attenzione è puntata su Crispr/Cas9, un termine incomprensibile che i ricercatori chiamano più semplicemente “crisper”. Una tecnica giovanissima, messa a punto solo nel 2012, con una potenzialità e versatilità fino a ieri inimmaginabili: qualunque tipo di cellula vegetale, animale, inclusa quella umana, può essere modificata geneticamente e la correzione può avvenire ovunque nel genoma. Queste sono le caratteristiche del rivoluzionario “taglia e cuci genetico” che da oltre un anno entusiasma la comunità scientifica. Le formidabili “forbici molecolari” derivano da un meccanismo di difesa che i batteri hanno da sempre utilizzato per proteggersi dai virus. Quando è attaccato dall’ospite indesiderato, il batterio riconosce il Dna virale, lo taglia e lo mette così fuori uso.
Questo meccanismo prende il nome di Crispr/Cas9. L’acronimo sta per “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” (sequenze geniche che si ripetono) cui sono associati dei geni Cas (Crispr associated) che codificano degli enzimi capaci di tagliare il Dna. Il sistema di difesa batterico è semplicissimo e si basa sulla combinazione di pochi elementi: la proteina Cas9 e un Rna guida che si appaia al Dna del virus per indicare all’enzima il pezzo da tagliare. Il risultato del meccanismo è la rottura del genoma virale e la sua messa ko. Questo sistema funziona anche in cellule superiori (cellule animali e umane) e, utilizzando un Rna guida disegnato ad hoc, si può indirizzare il taglio in un punto ben preciso, ad esempio a livello di una mutazione. Se a tutto ciò poi si aggiunge un frammento di Dna del tutto affine a quello bersaglio, ma con delle modifiche ben precise che si vogliono introdurre, il risultato non è più una semplice rottura del materiale genetico bensì la sostituzione di una sequenza di Dna con una nuova. È così che questa “forbice molecolare potenziata” diventa uno strumento di grande precisione per eliminare tratti di Dna difettosi o indesiderati, e sostituirli con tratti integri o desiderati. Se il Dna è un codice, ovvero nient’altro che una serie d’istruzioni, allora queste istruzioni possono essere modificate e riprogrammate. Con il termine “editing” gli scienziati descrivono proprio questo, la possibilità di modificare e correggere le parole che si trovano all’interno del libretto di istruzioni di ogni organismo vivente.
La nascita dell’ingegneria genetica risale agli anni Settanta, quando gli scienziati hanno imparato a tagliare il Dna con gli enzimi di restrizione (sempre di origine batterica) e per la prima volta hanno preso coscienza della reale possibilità di manipolare il codice genetico. Certo, allora gli strumenti a disposizione erano veramente primordiali e le modifiche genetiche erano assolutamente grossolane. Adesso la terapia genica ha fatto passi da gigante, esistono nuove cure grazie a “geni sani” veicolati nell’organismo, ma le modifiche non avvengono sempre con precisione e le tecniche utilizzate sono ancora molto complesse e costose. In questo Crispr è una tecnica rivoluzionaria, perché è universale (funziona dai batteri all’uomo), precisa (permette di riscrivere il Dna stesso dell’organismo inserendo i geni nei luoghi specifici e ripristinando la loro corretta espressione), facile (non ci vogliono grandi competenze) ed è molto economica (l’intero processo di editing genomico viene a costare circa 30€). Con un investimento irrisorio e le competenze di un dottorando Crispr è alla portata di ogni laboratorio.
Crispr è il frutto del lavoro dei laboratori di Jennifer Doudna, dell’Università della California a Berkeley, e di Emmanuelle Charpentier, dell’Helmotz Centre for Infection Research. Nel 2012 hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di utilizzare il sistema batterico per tagliare il Dna in punti specifici. Da subito la tecnica ha mostrato dei limiti nell’efficacia di applicazione in alcune specie e dei rischi di eventi “off target”, ovvero tagli non previsti in punti non desiderati del Dna. Nel 2013 un gruppo di ricercatori guidati da Feng Zhang, del Broad Institute di MIT e Harvard, ha modificato l’enzima Cas9 creandone una versione molto più precisa e ha messo a punto l’utilizzo di Crispr in cellule umane. Dopo questi studi pionieristici si è scatenato un fervente susseguirsi di sperimentazioni su piante, animali, fino ad arrivare all’uomo, il che ha catapultato l’editing genomico al centro dell’attenzione. Nel 2013 gli scienziati hanno cominciato a utilizzare Crispr per creare piante (quali grano, soia e riso) resistenti ai cambiamenti climatici, agli insetti o alle malattie. L’utilizzo dell’editing genetico negli animali permette invece di creare importanti modelli su cui studiare le patologie umane. Nel 2014 sono stati effettuati i primi esperimenti sulle scimmie, un gruppo di ricercatori ha modificato lo sviluppo neurologico di alcuni macachi per studiare condizioni quali l’autismo e l’alzheimer. Un’altra importante risorsa è la creazione di animali ad hoc per gli xenotrapianti. Finora la ricerca della “coltivazione” di organi in altre specie, come il maiale, per i trapianti umani è stata limitata da due importanti ostacoli: i retrovirus del genoma del suino, trasmissibili agli esseri umani, e il rischio di rigetto. Mediante Crispr, il gruppo di ricerca guidato dal genetista George Church dell’Università di Harvard è riuscito a spengere 20 geni alla base dei potenziali meccanismi di rigetto e tutte le 62 copie di retrovirus noti nel maiale. Anche in ambito clinico il nuovo meccanismo di editing punta ad applicazioni entusiasmanti. Nel 2015 l’azienda biofarmaceutica Sangamo Biosciences ha avviato delle sperimentazioni cliniche per valutare l’applicazione di Crispr come potenziale trattamento per l’Hiv. La speranza è che un’infusione intravenosa di linfociti T, le cellule responsabili della risposta immunitaria, modificati possa sostituire la terapia antivirale ora in uso. Ci sono poi studi focalizzati sull’inattivazione di geni coinvolti nell’insorgenza tumorale, altri sull’alterazione di geni associati a patologie cardiache o ancora sulla correzione del gene della beta-talassemia, una malattia genetica del sangue potenzialmente fatale. Nel campo delle malattie genetiche Crispr è stata sperimentata per la distrofia muscolare di Duchenne. A fine dicembre 2015 sono stati pubblicati su Science tre diversi studi che dimostrano la potenzialità di Crispr per una possibile futura terapia per la Dmd. Lavorando su topi modello, i ricercatori hanno dimostrato che eliminando una porzione ben precisa di Dna, la parte che contiene la mutazione che causa la distrofia, i topi mostrano netti miglioramenti nella funzionalità dei muscoli, compresi quelli respiratori e cardiaci.
Oltre ad essere economico, veloce e facile da utilizzare, l’editing genomico di nuova generazione sembra proprio avere delle potenzialità incredibili. Le alterazioni genetiche indotte con Crispr potrebbero avere un impatto inattendibile sull’uomo se compiute sulle cellule umane germinali, ovvero le cellule riproduttive (ovuli e spermatozoi) che trasmettono l’informazione genetica alle generazioni future, o direttamente sugli embrioni. E gli esperimenti in tal senso non si sono fatti attendere. Un gruppo di ricercatori cinesi guidato da Junjiu Huang dell’Università Sun Yat-sen di Guangzhou, ha messo in moto le nuove “forbici molecolari” su embrioni umani per modificare il gene della beta-talassemia, una malattia genetica del sangue potenzialmente fatale. Lo studio, pubblicato ad aprile del 2015, ha subito sollevato stupore e proteste, sia per l’aspetto etico sia dal punto di vista dei limiti di Crispr che sugli embrioni non si è dimostrato tanto efficace. Infatti, su 86 embrioni manipolati 15 non sono sopravvissuti e solo su 28 sono state eliminate le mutazioni del gene della beta-talassemia. Sono stati inoltre rilevati alte percentuali di “off target”, Crispr ha effettuato la sua azione di “taglia e cuci” in diversi punti non desiderati, al di fuori del gene bersaglio, in maniera potenzialmente dannosa. La comunità scientifica internazionale ha subito puntato il dito accusatore contro la Cina, che già in passato ha dimostrato di non badare tanto alla bioetica. Huang si è difeso spiegando che erano stati scelti degli embrioni che, per caratteristiche genetiche, non potevano andare avanti nel loro sviluppo ed essere impiantanti, e che lo scopo della ricerca era semplicemente capire le reali potenzialità di Crispr. Ma la sola concreta possibilità di manipolare embrioni umani ha subito acceso la discussione su una tecnologia dalle potenzialità entusiasmanti, ma anche allarmanti, che sta avanzando troppo velocemente.
Un quadro normativo sull’editing genomico ancora non esiste e dopo la pubblicazione di Huang la comunità scientifica ha cominciato a correre ai ripari. Su iniziativa delle Accademie di Scienza e Medicina Statunitensi e cinesi e della britannica Royal Society si è svolto, dal 1 al 3 dicembre scorso a Washington, un summit internazionale sull’editing genomico applicato all’uomo. Insieme ai ricercatori pionieri della tecnica Crispr erano presenti scienziati, bioeticisti, giuristi, storici della scienza e associazioni di pazienti provenienti da tutto il mondo. Alcuni erano presenti per chiedere una moratoria, ovvero un blocco temporaneo della ricerca in questo ambito. Dopo tre giorni di consultazioni la dichiarazione finale del summit si è limitata ad asserire l’irresponsabilità dell’utilizzo di Crispr sulla linea germinale o sugli embrioni, e a invitare a procedere con cautela nella ricerca valutando periodicamente il bilancio tra rischi e benefici. Molti scienziati hanno sottolineato l’importanza di non bloccare la ricerca di base, perché grazie a questa sarà possibile studiare a fondo il funzionamento delle nuove straordinarie “forbici molecolari” e capire come poter applicare al meglio la tecnica per la salute dell’uomo. Alcuni scienziati e bioeticisti hanno sottolineato la necessità di aprire il dibattito alla società civile, l’impatto che avrà l’editing genomico in futuro riguarda tutti e pone un vero e proprio problema di democrazia.
E tra un dibattito e l’altro, intorno a Crispr si è scatenata anche un’altra bufera: quella della proprietà intellettuale della scoperta scientifica. La battaglia è tra Doudna e Charpentier, le due ricercatrici che per prime hanno dimostrato la possibilità di utilizzare Crispr per l’editing genomico e Zhang che ha ottimizzato il sistema Crispr/Cas9 e lo ha utilizzato per primo nelle cellule umane. Nonostante le due ricercatrici abbiano avviato la procedura di richiesta di brevetto per la nuova tecnica di editing a marzo 2013 e Zhang a ottobre 2013, i diritti di proprietà intellettuale di Crispr sono andati a quest’ultimo. Zhang ha inoltre ottenuto, successivamente, altri brevetti per le diverse versioni di Cas9 messe a punto per aumentare l’efficienza dell’enzima. Doudna e Charpentier hanno avviato una causa per la detenzione del brevetto, nella quale affermano di essere le prime ideatrici della nuova tecnica, d’altra parte Zhang ribatte che il brevetto è suo di diritto perché è stato il primo ad aver saputo applicare la tecnica in cellule. Lo scorso gennaio, lo US Patent and Trademark Office (Uspto), l’ufficio statunitense dei brevetti e dei marchi di fabbrica, ha dichiarato di voler stabilire al più presto chi sarà a raccogliere i frutti dell’innovativa tecnica. Ma, nel frattempo, le richieste di brevetto di Crispr per specifiche applicazioni in campo biomedico si moltiplicano e arrivano dai laboratori di tutto il mondo. E su un altro versante, le aziende farmaceutiche e biotech hanno velocemente capito le enormi potenzialità della nuova tecnica e hanno iniziato la corsa per chi arriverà per primo all’applicazione clinica. Gli investimenti sono notevoli e molte startup sono state avviate dagli stessi pionieri di Crispr. Ad esempio, Editas Medicine, cofondata da Zhang e Church, sta portando avanti la ricerca preclinica sulla distrofia di Duchenne e altre malattie, e ha raccolto 120 milioni di dollari da un gruppo d’investitori tra cui spiccano nomi come Bill Gates e Google Ventures. Novartis ha firmato accordi con Intellia Therapeutics e con Caribou Bioscience, entrambe cofondate da Doudna, per la scoperta e lo sviluppo di nuovi farmaci che utilizzano la tecnica Crispr. E anche Bayer ha da poco annunciato che costituirà una joint venture con Crispr Therapeutics, biotech cofondata da Charpentier, investendo almeno 300 milioni di dollari in cinque anni.
Il 2015 è sicuramente stato un anno esplosivo per Crispr, i ricercatori hanno spinto sull’acceleratore e l’attenzione si è spostata da un pubblico di soli esperti a un pubblico più vasto, il dibattito si è spostato dalle problematiche tecnico-scientifiche a quelle etiche, le case farmaceutiche sono uscite allo scoperto e hanno iniziato la loro corsa contro il tempo. Nel 2016 la posta in gioco sarà alta, per tutti, per i ricercatori, per le biotech e per i pazienti. Sarà un anno di azione ma anche di riflessione per capire dove potrà portarci l’ultima frontiera dell’ingegneria genetica.