CRISPR in de strijd tegen corona

Wetenschappers gebruiken allerlei nieuwe technieken om het coronavirus te bestrijden. CRISPR-Cas lijkt een veelbelovende kandidaat om ons verder te helpen met het detecteren en elimineren van COVID-19, maar we zijn er nog niet.
Met de specifieke enzymen van de CRISPR/Cas9-technologie kan tegenwoordig zeer nauwkeurig in genen worden geknipt en geplakt.
123RF

De huidige coronapandemie brengt veel ellende met zich mee, maar het zorgt ook voor een heel scala aan wetenschappelijke ontwikkelingen. Over de hele wereld werken onderzoekers aan gloednieuwe technieken of aanpassingen van oude trucs om het virus zo snel mogelijk te detecteren en onschadelijk te maken. Bijvoorbeeld met CRISPR-Cas, de techniek die Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier dit jaar de Nobelprijs voor de Scheikunde opleverde.

In deze serie artikelen onderzoekt NEMO Kennislink welke tools we hebben om virussen nu en in de toekomst zo goed mogelijk te bestrijden.

De CRISPR-Cas-techniek is eigenlijk geleend uit het afweermechanisme dat bacteriën inzetten tegen virussen. Zo’n virus injecteert bij een aanval een beetje van zijn genetische informatie, meestal RNA, in de bacterie. Het CRISPR-systeem is een soort database van kleine stukjes virus-RNA dat in de gaten houdt of er iets wordt geïnjecteerd. Zodra het een stukje herkent, gaat het in de aanval: het roept de hulp in van Cas-enzymen, eiwitten die door CRISPR naar het virus-RNA worden geleid en dit vervolgens kapot knippen.

Van deze Cas-enzymen bestaan veel varianten, zoals Cas9, Cas13a en Cas13b, die elk een net andere vorm hebben en daardoor ook hun eigen specialisme. Het Cas9-enzym is bijvoorbeeld gespecialiseerd in aanvallen op DNA, omdat zij de bacterie beschermen tegen aanvallen van andere virussen die geen RNA maar DNA injecteren. “Met zo’n Cas9-enzym kunnen we dus in principe ons eigen DNA aanpassen”, vertelt hoogleraar Microbiologie John van der Oost van de Wageningen Universiteit. “Maar de Cas-enzymen die op RNA aanvallen kunnen ons misschien wel beschermen tegen virussen zoals COVID-19.”

Perspectief

Uitgelicht door de redactie

Economie
Je geld of je leven?

Maatschappijwetenschap
Politie, burgers en technologie-ontwikkelaars in gesprek over de toekomst van de stad

Informatica
De gigantische logistieke operatie van het coronavaccin

Een van de meest aantrekkelijke eigenschappen van deze CRISPR-Cas-systemen is de flexibiliteit. Mocht het namelijk lukken om deze systemen om te bouwen voor detectie of bestrijding van COVID-19, dan biedt dat ook zeker veel perspectief voor de toekomst. “Deze systemen zijn relatief makkelijk aan te passen”, zegt Van der Oost. “Ze gebruiken allemaal een stukje gids-RNA: een deel van het virus dat CRISPR moet opsporen. Om de systemen aan te passen naar nieuwe virussen heb je in principe alleen een stukje RNA van dat virus nodig, dat is binnen een paar dagen geregeld.”

Zo’n flexibel detectiesysteem kan helpen om toekomstige pandemieën snel de kop in te drukken. Van der Oost: “Bij COVID-19 was binnen ongeveer twee weken de genetische informatie ontrafeld. Zodra je die hebt, kun je je systeem aanpassen en gaan testen. Dan heb je al binnen pakweg een maand een sneltest beschikbaar en kun je veel sneller besmette personen isoleren.”

PAC-MAN beschermt

Maar dan moeten we wel eerst zulke systemen ontwikkelen. Onder andere Nobelprijswinnaar Jennifer Doudna van de UC Berkeley is hiermee bezig. Zij werkt samen met onderzoekers uit San Francisco aan een systeem om COVID-19 te detecteren. Hiervoor gebruikt ze CRISPR-Cas13, een combinatie die RNA kapot kan knippen. Maar omdat Doudna in dit geval het COVID-19 RNA niet kapot wil knippen, maar juist wil detecteren, past ze een slim trucje toe. Ze voegt extra stukjes RNA toe aan haar detectiesysteem. Aan het uiteinde van deze RNA-stukjes plakt ze een lichtgevend molecuul, dat alleen licht geeft als het los is van het RNA.

Als het CRISPR-systeem van Doudna nu COVID-19 detecteert, knipt de Cas13 het lichtgevende molecuul los van de rest van het RNA, zodat het licht gaat geven. Dit lichtsignaal lezen de onderzoekers af met een draagbaar apparaatje dat ze aan een mobiele telefoon vastmaken. Zo kun je makkelijk en binnen een paar minuten zien of je geïnfecteerd bent of niet. En voor deze detectie hoeft het wattenstaafje niet eens diep je neus in, alleen een monster uit je neusgat is voldoende.

Een vergelijkbare test is onlangs goedgekeurd voor gebruik door de FDA, de Amerikaanse instantie die medicijnen goedkeurt. Deze test is gebaseerd op een variant van CRISPR-Cas12 en is ontwikkeld in het lab van Feng Zhang in MIT-Boston.

Cascade-complex

Ook Van der Oost werkt aan een detectiemethode gebaseerd op CRISPR, maar hij kiest wel een iets andere aanpak: “Wij werken met een ander soort Cas-enzym, het zogenoemde Cascade-complex. Dit complex kan de aanwezigheid van COVID-19 heel snel, heel specifiek en heel gevoelig meten.”

Mogelijk kan CRISPR helpen bij de ontwikkeling van een sneltest voor corona

De basis van het systeem is het Cascade-complex en een lichtgevend molecuul dat de onderzoekers zelf toevoegen. Dit molecuul bestaat uit een lichtgevend deel en een deel dat deze fluorescentie blokkeert. Zolang deze delen aan elkaar zitten zie je dus geen licht, maar als ze uit elkaar zijn geknipt wel.

“Daar zijn we heel blij mee. Mijn studenten werken nu samen met TNO, en het idee is om deze test te implementeren bij een snelteststraat in Amsterdam. Dan kunnen we zien hoe het in de praktijk werkt en het systeem verder optimaliseren”, aldus Van der Oost.

Achter elkaar

Dat zijn systeem zo gevoelig is, komt volgens Van der Oost vooral doordat één stuk COVID-RNA allerlei processen in werking laat treden: “Als ons complex het RNA van COVID-19 bindt, komt er een hele reeks aan processen op gang. En deze processen hebben een versterkend effect: een RNA-molecuul aan het begin zorgt er uiteindelijk voor dat wel duizenden van onze moleculen worden geknipt, en we dus een sterk lichtsignaal krijgen.”

Deze nieuwe truc is mogelijk iets ingewikkelder dan het Amerikaanse systeem, maar het werkt volgens Van der Oost minstens zo goed: “We hopen dat we met onze methode nog lagere hoeveelheden van het virus kunnen detecteren”, vertelt Van der Oost. “Maar of dit echt zo gaat werken, moet nog blijken uit de verdere tests.”

Kapot knippen

Een ander mogelijk interessante toepassing is het voorkomen van een virusinfectie. CRISPR-Cas systemen kunnen in bacteriën al virusdeeltjes kapot maken, dus misschien kunnen ze ons ook wel beschermen. Stanley Qi en zijn collega’s van de Stanford University in de Verenigde Staten gebruikten onlangs Cas13d om een hele reeks aan virussen kapot te knippen met wat zij de PAC-MAN-methode noemen. PAC-MAN staat voor Prophylactic Antiviral CRISPR in human cells, en het komt erop neer dat CRISPR in combinatie met Cas13d de cellen in je longen beschermt tegen virussen zoals COVID-19 en Influenza. In laboratoriumtesten met longcellen wist dit CRISPR-Cas13d-systeem negentig procent van alle virusdeeltjes kapot te knippen voor ze de cellen konden infecteren.

CRISPR-Cas-systemen kunnen niet alleen virussen detecteren, maar ook virussen kapot knippen.
DataBase Center for Life Science (DBCLS)

Dit klinkt veelbelovend, maar er is nog een groot obstakel: hoe krijg je dit CRISPR-Cas13d-systeem in de juiste cellen van de patiënten? “Dat is op dit moment nog een enorm lastig vraagstuk”, zegt Van der Oost. “Je kunt niet zomaar iemand inspuiten met een CRISPR-systeem, je hebt een soort gids nodig die zorgt dat het bij de juiste cellen terecht komt. Die gidsen bestaan slechts op kleine schaal, en zijn nog volop in ontwikkeling.”

De gidsen waar Van der Oost het over heeft zijn zogenoemde virale vectoren. Dit zijn een soort uitgeklede menselijke virussen, die ons niet meer ziek kunnen maken, maar nog wel cellen kunnen opsporen en iets kunnen injecteren. “Je zou dit systeem in theorie kunnen gebruiken om je CRISPR-Cas-systeem af te leveren bij zo veel mogelijk cellen. Maar deze techniek werkt helaas nog niet op grote schaal: ons lichaam valt deze vectoren vaak nog aan.”

In je longen

Daarom onderzoeken de Amerikaanse wetenschappers op dit moment manieren om het beschermingssysteem via een inhaler af te leveren in je longen. Maar ook zij erkennen dat dit nog een grote uitdaging is; de verwachting is dat het nog jaren gaat duren voor hun PAC-MAN-methode echt op de markt is. Van der Oost: “Dit soort systemen kosten veel ontwikkelingstijd. Niet alleen omdat het afleveren lastig is, maar ook omdat de systemen maximaal een paar dagen overleven in de longen. Dus je moet de behandeling regelmatig herhalen.”

We zijn dus nog niet zover dat de CRISPR-systemen echt al op de markt zijn, maar Van der Oost is optimistisch dat dit op termijn zeker gaat lukken: "Er moet nog een hoop gebeuren, maar ik heb er veel vertrouwen in dat we werkende CRISPR-systemen gaan vinden. Doudna en Charpentier hebben niet voor niets zo snel de Nobelprijs gewonnen. De impact van CRISPR is enorm, het kan in zowel de diagnostiek als in gentherapie echt een verschil maken.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Ziekten voorkomen op Biotechnologie.nl.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden