/

Gdy mitochondria szwankują – mitochondrialna terapia zastępcza

avatar
Emilia Korczmar 30 Gru, 7 minut czytania

 

Niemal wszystkie komórki w ciele człowieka posiadają swoje własne fabryki energii – mitochondria. Są to małe organella komórkowe, posiadające autonomiczne DNA. Wewnątrz mitochondriów zachodzi wieloetapowy proces przemian energetycznych, wykorzystujący glukozę jako źródło energii. Żeby przeżyć, musimy przyswajać glukozę z pożywienia oraz tlen z wdychanego powietrza – te dwa składniki dostarczane są do naszych komórkowych fabryk. To tam dzieje się cała magia, dzięki której mamy energię nie tylko do myślenia i poruszania się, ale również do ogromnej liczby przemian biologicznych, które utrzymują nas przy życiu. Dlatego wszelkie wady w mitochondriach prowadzą do uciążliwych chorób, które dotykają przede wszystkim tkanki mięśniową i nerwową, ponieważ to one są najbardziej „żarłoczne” energetycznie. Jakie jest pochodzenie tych chorób i, co ważniejsze, jak możemy z nimi walczyć?

Dziedziczenie mitochondriów

Różnica w zawartości mitochondriów pomiędzy gametami jest znaczna: ludzka komórka jajowa ma ich powyżej 100 000, natomiast plemnik maksymalnie 100 kopii. Zazwyczaj wszystkie mitochondria w organizmie człowieka wywodzą się od mitochondriów matki, zawartych w komórce jajowej. Mitochondria pochodzące z plemnika są usuwane natychmiast po wniknięciu do oocytu. Dlaczego taka ścieżka dziedziczenia mitochondriów jest dominująca w przyrodzie? Jedna z teorii sugeruje, że powodem jest ekstremalne zużycie energii w trakcie wędrówki plemnika w kierunku komórki jajowej. Zatem mitochondria umożliwiające podjęcie tego wysiłku mogą być zbyt mocno wyeksploatowane, by przekazanie ich potomstwu było korzystne. [1] Generalnie dziedziczenie mitochondriów, a także zawartego w nich DNA, odbywa się w linii matczynej. Niekiedy organella te nie działają prawidłowo, a ich zaburzone funkcjonowanie ma podłoże genetyczne. Rozpiętość skutków chorób mitochondrialnych jest bardzo szeroka – od braku zauważalnych zmian, poprzez spektrum autyzmu, osłabienie mięśni, problemy neurologiczne, aż po śmierć w ciągu kilku pierwszych lat życia. [2] Od czego zależy tak duża różnorodność objawów?

Każda komórka zawiera wiele mitochondriów. Jeżeli w pojedynczej komórce znajdują się zarówno wadliwe, jak i prawidłowo funkcjonujące mitochondria, zjawisko to nazywamy heteroplazmią. W tym przypadku nie działa zasada „wszystko albo nic”, ponieważ im większy odsetek zmutowanych mitochondriów, tym bardziej dotkliwe objawy choroby. Nawet jeżeli matka posiada niewielki procent wadliwych mitochondriów i nie wykazuje żadnych objawów świadczących o chorobie, istnieje ryzyko, że do komórki jajowej trafi duża część z tej niewielkiej liczby zmutowanych mitochondriów, przez co przyszłe dziecko będzie mierzyć się z ciężką chorobą.

Czy można temu zapobiec? W przypadku zapłodnienia in vitro możliwa jest diagnostyka preimplantacyjna. Polega ona na badaniu komórek z zarodków z zapłodnienia in vitro, dzięki czemu tylko zdrowy zarodek jest implantowany do macicy. Metoda ta jest pomocna jedynie w przypadku kobiet, które posiadają zarówno wadliwe, jak i zdrowe mitochondria, ponieważ można wówczas wybrać zdrowe zarodki.

Obecnie nie istnieje żadne lekarstwo na choroby mitochondrialne, dlatego leczenie opiera się głównie na zwalczaniu uciążliwych objawów. Wbrew pozorom nie są to szczególnie rzadkie zaburzenia. Choroby mitochondrialne dotykają około 16 na 100 000 dzieci i młodych dorosłych. Są to zatem jedne z najczęściej występujących dziedzicznych chorób nerwowo-mięśniowych. [3]

MRT – jak to działa?

Mitochondrialna terapia zastępcza to, w maksymalnym uproszczeniu, przeniesienie jądrowego materiału genetycznego z komórki jajowej biorcy do komórki jajowej dawcy, zawierającej zdrowe mitochondria. Proces ten nie należy jednak do najprostszych. Istnieją trzy metody dokonania transferu:

  • Transfer kompleksu wrzeciona i chromosomu metafazy II (metaphase II spindle-chromosome complex transfer, MST)

Dojrzały oocyt z wadliwymi mitochondriami przechodzi do metafazy II. Jest to jeden z etapów w cyklu życiowym komórki, podczas którego chromosomy są ściśle ułożone wzdłuż osi komórki. Materiał genetyczny w tej formie jest najbardziej skondensowany, dzięki czemu łatwiej jest go pobrać z oocytu i wszczepić do zdrowej komórki jajowej. Taka nowo skonstruowana komórka jajowa jest następnie zapładniana metodą in vitro. Główną wadą tej metody jest ryzyko przeniesienia cytoplazmy (a wraz z nią wadliwych mitochondriów) w trakcie transferu kompleksu pomiędzy oocytami. [3]

  • Transfer przedjądrzy (pronuclear transfer, PNT)

Przedjądrze to jądro komórkowe oocytu lub plemnika w trakcie procesu zapłodnienia w ściśle określonym momencie, kiedy plemnik wniknął już do komórki jajowej, lecz nie nastąpiła jeszcze kariogamia, czyli fuzja przedjądrzy, w wyniku której powstaje zygota. W tej technice przedjądrza obu gamet są usuwane z wnętrza oocytu i przenoszone do zdrowej komórki jajowej. Komórka ta została już wcześniej zapłodniona, dlatego najpierw usuwa się z niej istniejące przedjądrza, a następnie dokonywany jest transfer przedjądrzy pobranych wcześniej z wadliwego oocytu. Technika ta jest mniej ryzykowna jeśli chodzi o przypadkowe przeniesienie zmutowanych mitochondriów wraz z cytoplazmą. [3]

  • Transfer jądra oocytu (germinal vesicular transfer, GVT)

Chociaż dwie powyższe metody są najczęściej stosowane w mitochondrialnej terapii zastępczej, warto wspomnieć również o transferze niedojrzałego jądra komórki jajowej do zdrowego oocytu. Jądro pobierane jest podczas profazy mejozy I, gdy obecne są dwie kopie każdej z 23 par chromosomów. Po wprowadzeniu do zdrowego oocytu, komórka dojrzewa w warunkach in vitro, co pozwala na obserwację nieprawidłowości w przebiegu mejozy. Jest to szczególnie wskazane w przypadkach, kiedy matka jest w zaawansowanym wieku, co może przyczyniać się do nierównomiernego przenoszenia chromosomów do komórek potomnych podczas mejozy II. [4] Jednak, podobnie jak w metodzie MST, tutaj również występuje wyższe ryzyko przeniesienia zmutowanych mitochondriów wraz z cytoplazmą. [5]

Badania porównujące powyższe techniki leczenia skupiają się na dwóch głównych wskaźnikach jakości. Należy do nich poziom przeniesienia matczynego mitochondrialnego DNA oraz potencjał rozwojowy zrekonstruowanej komórki jajowej. Zwykle odsetek przeniesionego mtDNA poniżej 3% jest uznawany za zadowalający, ponieważ nie ma on negatywnego wpływu na zdrowie dziecka. Z kolei potencjał rozwojowy zrekonstruowanej komórki jajowej jest oceniany na podstawie kolejnych stadiów rozwoju. Niektórzy uważają, że sukcesem w tym przypadku jest przejście zygoty do stadium blastocysty. Jest to stadium, w którym zarodek zagnieżdża się w błonie śluzowej macicy. Inni z kolei za sukces uznają dopiero w pełni rozwinięte żywe potomstwo. Badania prowadzone na zarodkach myszy, jak i naczelnych (w tym człowieka), odniosły duży sukces. Z powodów etycznych badania na ludzkich zarodkach były prowadzone do stadium embrionu, natomiast w przypadku pozostałych naczelnych i myszy uzyskano zdolne do życia noworodki. [6][7]

Kontrowersje

Co prawda techniki MRT wymagają dalszych eksperymentów, jednak dotychczasowe badania wskazują, że ta forma terapii ma duży potencjał pod względem ograniczenia transmisji zmutowanego mtDNA, co bezpośrednio przekłada się na spadek odsetka osób cierpiących na choroby mitochondrialne. Mimo to, mitochondrialna terapia zastępcza wciąż jest nielegalna poza Wielką Brytanią, a w niektórych krajach podlega bardzo ścisłym regulacjom. Powodem są kontrowersje na tle etycznym.

Od zawsze oczywistym wydawał się fakt, że każde dziecko ma dwoje biologicznych rodziców. Jednak skutkiem zastosowania metod MRT jest obecność w zarodku DNA pochodzącego od trzech osób. Jest to przedmiot dyskusji zarówno na tle etycznym, jak i prawnym, ponieważ do niedawna wszystkie dzieci na świecie posiadały materiał genetyczny pochodzący od dwóch osób. Sytuacja zmieniła się w 2016 roku, kiedy urodziło się pierwsze dziecko poczęte z zastosowaniem MRT. Procedurę tę przeprowadził zespół specjalistów z USA, lecz sam proces odbył się w Meksyku. Dlaczego właśnie tam? Ponieważ w tym kraju nie ma regulacji prawnych, które w jednoznaczny sposób zakazywałyby przeprowadzenia tego typu terapii. Matka chłopca, obywatelka Jordanii, jest nosicielką wadliwych mitochondriów. Pomimo iż sama nie odczuwa z tego powodu skutków zdrowotnych, u dwojga jej dzieci ujawnił się Zespół Leigha – rzadka choroba mitochondrialna prowadząca do uszkodzeń układu nerwowego, mięśni, wątroby oraz nerek. Oboje dzieci zmarło: jedno w wieku ośmiu lat, drugie po sześciu miesiącach. Dopiero dzięki zastosowaniu terapii mitochondrialnej para może cieszyć się zdrowym, prawidłowo rozwijającym się dzieckiem. [8]

Obecnie zastosowanie terapii mitochondrialnej jest legalne jedynie w Wielkiej Brytanii. Do głównych przesłanek za legalizacją MRT należy duża różnica między DNA genomowym a mitochondrialnym. Genomowe DNA zawiera większość genów oraz nadaje cechy osobowe, do których należą między innymi kolor skóry i włosów. Natomiast w mitochondrialnym DNA znajdują się geny kodujące jedynie 13 białek, z których wszystkie związane są z procesami metabolicznymi. Kolejną przesłanką za legalizacją MRT jest fakt, że terapia ta nie obejmuje modyfikacji DNA, lecz bazuje na naturalnym materiale genetycznym. Ponadto, według brytyjskiego prawa, dawczyni oocytu nie jest prawnym rodzicem, ponieważ dostarcza ona jedynie 0,1% genów dziecka. Przepisy prawne nie nakazują również poddawania dzieci urodzonych po MRT żadnym długoterminowym obserwacjom, jednak jest to zalecane. Możliwy jest wybór płci zarodka, jednak tylko w przypadku chorób związanych z płcią. Dzieci poczęte w wyniku mitochondrialnej terapii zastępczej nie mają dostępu do informacji na temat dawczyni oocytu ani tego, czy istnieją również inne dzieci poczęte z komórek jajowych tej samej osoby. [8][9]

Z kolei w USA prawo dotyczące MRT jest dużo bardziej rygorystyczne niż w Wielkiej Brytanii. Rozważa się dozwolenie transferu zarodków płci męskiej do macicy we wstępnych badaniach klinicznych. Dlaczego wyłącznie zarodki męskie są brane pod uwagę? Ponieważ, jak wcześniej wspomniano, mitochondria są dziedziczone tylko w linii matczynej. Zatem wybór zarodków płci męskiej zapobiega dalszemu przekazywaniu mitochondriów pochodzących od dawczyni. Głównym argumentem przeciwników legalizacji MRT jest opinia, iż jest to krok w kierunku modyfikacji genomów zarodków, a tego typu zmiany wiążą się z dodatkowymi kontrowersjami na tle etycznym. W wielu krajach wszelkie modyfikacje ludzkich zarodków, w tym MRT, są nielegalne pod groźbą kary więzienia lub wysokiej grzywny (Przypis). W związku z tym zdarzają się sytuacje, że dana para decyduje się na terapię za granicą, w kraju, w którym nie ma szczegółowych regulacji prawnych dotyczących tej kwestii, m.in. w Meksyku i na Ukrainie. Taka „medyczna turystyka” dotyczy również sytuacji, w których dana para jest po kilku nieudanych próbach zapłodnienia in vitro, a problemem w ich przypadku jest niska jakość cytoplazmy oocytów. Wówczas również pobiera się genomowy materiał genetyczny matki i wszczepia się go do zdrowego oocytu dawczyni. [9]

Mitochondrialna terapia zastępcza to niekiedy jedyna szansa na posiadanie zdrowych, spokrewnionych dzieci. Od wielu lat jest ona przedmiotem dyskusji wśród komisji etycznych na całym świecie. W niektórych krajach (Singapur, Australia) planowane są zmiany prawne, umożliwiające przeprowadzenie tej formy terapii w szczególnych przypadkach. [9] MRT stanowi przykład, że dokonania naukowe mogą kształtować nowe przepisy prawne oraz stawiać kolejne pytania o przyszłość człowieka.

 

 

* https://mitocanada.org/understand/

 

Przypis – np. do trzech lat pozbawienia wolności w Niemczech; 400 000 dolarów grzywny lub kara pozbawienia wolności w Izraelu. [8]

 

Źródła:

1. Marianne Schwartz, John Vissing „Paternal Inheritance of Mitochondrial DNA” The New England Yournal of Medicine 2002; 347:576-580

2. Schon E. A., DiMauro S., Hirano M. „Human mitochondrial DNA: roles of inherited and somatic mutations” Nature Reviews Genetic 2012;13:878–890

3. Sarah Fogleman, Casey Santana, Casey Bishop, Alyssa Miller and David G Capco „CRISPR/Cas9 and mitochondrial gene replacement therapy: promising techniques and ethical considerations” American Journal of Stem Cells 2016; 5(2): 39–52

4. D. E. Battaglia, P. Goodwin, N. A. Klein, M. R. Soules „Influence of maternal age on meiotic spindle assembly in oocytes from naturally cycling women” Human Reproduction 1996 Oct;11(10):2217-22

5. Jitesh Neupane, Mado Vandewoestyne, Sabitri Ghimire, Yuechao Lu, Chen Qian, Rudy Van Coster, Jan Gerris, Tom Deroo, Dieter Deforce, Petra De Sutter, Björn Heindryckx „Assessment of nuclear transfer techniques to prevent the transmission of heritable mitochondrial disorders without compromising embryonic development competence in mice” Mitochondrion 2014 Sep;18:27-33

6. Masahito Tachibana, Michelle Sparman, Hathaitip Sritanaudomchai, Hong Ma, Lisa Clepper, Joy Woodward, Ying Li, Cathy Ramsey, Olena Kolotushkina, Shoukhrat Mitalipov „Mitochondrial gene replacement in primate offspring and embryonic stem cells” Nature 2009 Sep 17;461(7262):367-72

7. Lyndsey Crave, Helen A Tuppen, Gareth D Greggains, Stephen J Harbottle, Julie L Murphy, Lynsey M Cree, Alison P Murdoch, Patrick F Chinnery, Robert W Taylor, Robert N Lightowlers, Mary Herbert, Douglass M Turnbull „Pronuclear transfer in human embryos to prevent transmission of mitochondrial DNA disease” Nature 2010 May 6;465(7294):82-5

8. César Palacios-González, María de Jesús Medina-Arellano “Mitochondrial replacement techniques and Mexico’s rule of law: on the legality of the first maternal spindle transfer case” Journal of Law and the Biosciences 2017 Apr; 4(1): 50–69.

9. Glenn Cohen, Eli Y. Adashi, Sara Gerke, César Palacios-González and Vardit Ravitsky „The Regulation of Mitochondrial Replacement Techniques Around the World” Annual Review of Genomics and Human Genetics 2020 Aug 31;21:565-586

 

Podziel się: