Łatwiej zapobiegać niż leczyć?

Prof. Katarzyna Tońska 30 Gru, 6 minut czytania

 

Choroby mitochondrialne są grupą chorób uznawanych za choroby rzadkie, trudne w diagnostyce i zwykle nie przebijają się na pierwsze strony gazet. Dla pewnej części chorób mitochondrialnych od niedawna możliwe jest nie tyle leczenie, co zapobieganie ich powstaniu. Ale od początku:

Choroby mitochondrialne definiowane są poprzez nieprawidłowe funkcjonowanie zlokalizowanego w mitochondrium systemu przetwarzania energii zwanego fosforylacją oksydacyjną (zakończonego syntezą ATP), będącego elementem oddychania tlenowego. Z genetycznego punktu widzenia, elementy niezbędne do prawidłowego funkcjonowania tego systemu są kodowane w większości w DNA jądrowym (chromosomach). Jednak ich niewielka, choć kluczowa, część jest zapisana w niedużej cząsteczce DNA zlokalizowanej na terenie samego mitochondrium, zwanej mtDNA. Mutacje zarówno genów jądrowych jak i mitochondrialnych mogą stać się przyczyną choroby mitochondrialnej o czym więcej tutaj (odniesienie do Magdy).

Szczególnym utrapieniem lekarzy zajmujących się poradnictwem genetycznym, ale także leczeniem chorób genetycznych są te choroby mitochondrialne, które wynikają z mutacji mtDNA. mtDNA jest dziedziczony od matki, zatem wszystkie dzieci kobiety chorej na tę chorobę mają ryzyko jej odziedziczenia. Ze względu na dużą liczbę cząsteczek mtDNA (nawet tysiące) w pojedynczej komórce, zwykle nie wszystkie są zmutowane (taki stan określa się jako heteroplazmię) i dzieci tej samej kobiety mogą mieć różny jej poziom, czyli różną ilość zmutowanego mtDNA w stosunku do prawidłowego. W konsekwencji, w zależności od tego czy zmutowanego mtDNA będzie więcej czy mniej, dziecko może być zdrowe, łagodnie chore, ciężko chore, a nawet może dojść do utraty ciąży ze względu na nieprawidłowy rozwój płodu. Biorąc pod uwagę fakt, że na podstawie poziomu mutacji u matki trudno jest przewidzieć poziom mutacji u dziecka, a choroba jest nieuleczalna i często ma ciężki, zakończony przedwczesną śmiercią przebieg, potrzebne było jakieś podejście, które pozwoliłoby na zapobieżenie jej wystąpieniu.

Gdy mamy do czynienia z chorobą genetyczną, dziedziczną, powodowaną przez mutację w którymś z genów jądrowych, dostępne są dwa podejścia mogące zapobiec urodzeniu chorego dziecka:

  • diagnostyka przedurodzeniowa (prenatalna) polegająca na pobraniu komórek rozwijającego się płodu (zwykle są to złuszczone komórki pływające w płynie owodniowym, ale też może to być fragment rozwijającego się łożyska czy krew pępowinowa). Następnie przeprowadza się badanie DNA mające na celu ustalenie czy płód ma poszukiwane mutacje i czy dziecko urodzi się zdrowe czy chore na badaną chorobę. Na podstawie takiego wyniku kobieta ciężarna może podjąć decyzję o terminacji ciąży
  • diagnostyka preimplantacyjna przeprowadzana jako dodatkowa procedura w ramach zapłodnienia pozaustrojowego (in vitro). W takim przypadku, z rozwijającego się jeszcze na szalce zarodka, pobiera się niewielką liczbę komórek i przeprowadza stosowne badanie genetyczne. Następnie wszczepiane są tylko te zarodki, które nie mają badanych mutacji.

W przypadku chorób powodowanych przez mutacje mtDNA oba te sposoby zawodzą. Po pierwsze, nieznany jest próg dla poziomu mutacji, poniżej którego można powiedzieć, że na pewno u dziecka nie rozwinie się choroba. Po drugie zaś, poziom mutacji w tkankach zarodka czy płodu może się różnić od tego po urodzeniu. W niektórych krajach przeprowadza się zarówno diagnostykę przedurodzeniową, jak i preimplantacyjną. Jednak, w przypadku tej grupy chorób, jej wyniki są zawsze obarczone sporą dozą niepewności.

I tu dochodzimy do metody, która stała się szansą dla rodzin obarczonych tą specyficzną grupą chorób. Skoro nie możemy „naprawić” mtDNA to spróbujmy go podmienić. Pomysł jest stosunkowo prosty i wykorzystuje umiejętność precyzyjnej manipulacji nawet na poziomie pojedynczych komórek. Pomysł ten opiera się na wykorzystaniu komórki jajowej (oocytu) od kobiety-dawczyni, której mtDNA jest prawidłowy, a samą procedurę można przeprowadzić na dwa sposoby. W obu przypadkach wszystko zaczyna się tak jak przy standardowej procedurze zapłodnienia in vitro, przy czym przygotowanie hormonalne oraz pobranie komórek jajowych przeprowadza się zarówno dla przyszłej matki, jak i dla dawczyni komórki jajowej. Na tym etapie rozwoju komórki jajowej nie ma ona klasycznego jądra komórkowego.

Przypomnijmy, aby doszło do powstania komórki rozrodczej (w tym przypadku komórki jajowej) musi zajść podział komórkowy zwany mejozą, związany z redukcją liczby chromosomów z 23 par do 23 chromosomów. Mejozę poprzedza powielenie całego jądrowego materiału genetycznego i na początku mejozy chromosomy zaczynają wyglądać tak jak na rysunkach w podręcznikach, czyli przypominają literę X. Każdy złożony jest z dwóch cząsteczek DNA – chromatyd, które staną się samodzielnymi chromosomami po zakończeniu podziału. Sama mejoza składa się z dwóch podziałów. W pierwszym, do komórek potomnych dostaje się po jednym iksowatym chromosomie z każdej pary. Podczas oogenezy, czyli tworzenia się komórki jajowej, tylko jedna z komórek potomnych da początek oocytowi. Druga jest znacznie mniejsza i stanowi tak zwane ciałko kierunkowe. Podczas drugiego podziału każdy iksowaty chromosom rozdziela się na dwie chromatydy, które wędrują do dwóch komórek potomnych. Jedna z nich będzie dojrzałym oocytem, druga stanowi drugie ciałko kierunkowe. Zanim jednak chromatydy rozejdą się cały proces jest zatrzymywany: iksowate chromosomy są ustawione w jednej linii w centrum komórki, a do nich przyłączone są włókna, które są odpowiedzialne za przeciągnięcie chromatyd do komórek potomnych. Taka struktura swym wyglądem przypomina wrzeciono i stąd jej nazwa: wrzeciono podziałowe (lub kariokinetyczne). Zatrzymana na tym etapie podziału komórka ulega owulacji i tak samo właśnie wygląda komórka pobrana podczas procedury in vitro.

Następnie, w przypadku sposobu pierwszego, nazwanego transferem wrzeciona podziałowego, z obu komórek jajowych, przy pomocy mikropipety, wyjmuje się właśnie wrzeciono podziałowe. Do pozbawionego wrzeciona podziałowego oocytu dawczyni wkłada się wrzeciono podziałowe matki, zaś wrzeciono dawczyni i pozbawiony wrzeciona oocyt matki pozostaje niewykorzystane. Skompletowaną w taki sposób komórkę jajową, zawierającą cytoplazmę i mitochondria od dawczyni, ale jądrowy materiał genetyczny zawarty w wrzecionie kariokinetycznym matki, zapładnia się nasieniem ojca. W tym momencie dochodzi do dokończenia podziału mejotycznego w komórce jajowej. Jak podczas każdego zapłodnienia, jądro komórki jajowej i plemnika przez jakiś czas są osobno tworząc tak zwane przedjądrza. Następnie, przedjądrza łączą się i powstaje zygota zawierającą materiał genetyczny od trzech osób: materiał jądrowy od matki i ojca oraz mitochondrialny DNA od dawczyni.

Sposób drugi jest podobny. W tym przypadku jednak pobrane od matki i dawczyni oocyty zapładnia się nasieniem ojca, a następnie wyjmuje przedjądrza. Przedjądrza z zapłodnionego oocytu matki wędrują do pozbawionego przedjądrzy oocytu dawczyni i końcowy efekt jest taki sam jak w pierwszym przypadku.

Choć sam pomysł jest prosty, a pierwsze próby na myszach prowadzone były już w latach 90, wcielenie go w życie zajęło wiele lat. Po pierwsze, związane to było z koniecznością rozwiązania problemów technicznych, np.: trzeba było się nauczyć w jaki sposób pobierać wrzeciono czy przedjądrza tak, aby wraz z nimi nie pobrać zbyt wiele cytoplazmy zawierającej matczyne mitochondria. Jak to się udało, można obejrzeć tutaj.

Po drugie, manipulacje na komórkach rozrodczych oraz zarodkach, ale także wszystkie manipulacje genetyczne, zawsze wzbudzały niepokój i kontrowersje bioetyczne. Tak też było w tym przypadku. Poruszane były kwestie posiadania przez dziecko materiału genetycznego od trzeciej, obcej osoby. Dużo szumu wywołało medialne określenie „dziecko trojga rodziców”. Choć trudno zaprzeczyć, że dziecko ma DNA od kogoś poza matką i ojcem to biorąc pod uwagę, że mtDNA ma długość ok. 16 500 nukleotydów a jądrowy DNA 3 000 000 000 to udział ten jest minimalny i trudno byłoby na tej podstawie doszukiwać się bliskich związków. Nawet bardziej istotne były obawy o bezpieczeństwo całej procedury. W końcu dopóki nie urodzą się pierwsze dzieci trudno jest powiedzieć czy sama procedura transferu nie wpłynie negatywnie na ich rozwój, czy też czy resztki cytoplazmy, zawierającej przecież mitochondria matki, przenoszone wraz z wrzecionem czy przedjądrzami, nie spowodują rozwoju choroby mitochondrialnej. Wątpliwości budziło też to czy „nowy” mtDNA będzie pasował do DNA jądrowego. Oba genomy ściśle współpracują przy utrzymaniu prawidłowego funkcjonowania mitochondriów i choć podczas każdego zapłodnienia mitochondrialny DNA spotyka „obcy” jądrowy DNA od ojca pewne obawy pozostały. Fakt, że myszy poddane takiej procedurze rozwijają się prawidłowo, a udział matczynego mtDNA jest minimalny, nie rozwiewa wszystkich wątpliwości, bo różnimy się od gryzoni w wielu aspektach i jest też wiele cech, których u myszy nie da się sprawdzić.

W efekcie, procedura znana od wielu lat i doświadczalnie sprawdzona na ludzkich oocytach nie jest szeroko stosowana. W zasadzie jest tylko jeden kraj, w którym przeszła ona długą ścieżkę prowadzącą zarówno do akceptacji społecznej oraz etycznej, a na końcu jej legalizacji i jest nim Wielka Brytania. W Wielkiej Brytanii od lutego 2018 transfer przedjądrzy jest oferowany kobietom z rodzin obciążonych ciężką chorobą mitochondrialną (nie wszystkie choroby mitochondrialne mają fatalny przebieg, patrz Magda) powodowaną przez mutacje mitochondrialnego DNA, w których przypadku zawiodły inne opcje (jak diagnostyka preimplantacyjna).

To, że jakaś procedura nie jest zalegalizowana nie znaczy, że nie jest ona przeprowadzana, bo wiele krajów ma dość luźne regulacje bioetyczne. We wrześniu 2016 roku świat obiegła wiadomość, że urodziło się zdrowe dziecko, którego rodzice skorzystali z transferu wrzeciona kariokinetycznego. Chcieli oni uniknąć choroby mitochondrialnej, która doprowadziła do śmierci dziecka lub poronienia przy wcześniejszych ciążach. Ze względów religijnych wybrali transfer wrzeciona podziałowego, gdyż przy tej metodzie zapładnia się tylko jedną komórkę jajową. Procedura została przeprowadzona w Meksyku, przez amerykańskiego lekarza (w Stanach Zjednoczonych jest zakazana). Pozostałość matczynego mitochondrialnego DNA zarówno podczas badań prenatalnych, jak i po urodzeniu była niewielka. W momencie publikacji dziecko miało kilka miesięcy, nie wiemy jakie są jego dalsze losy.

Istnieje jeszcze jeden obszar niezwiązany z chorobami mitochondrialnymi, w którym transfer przedjądrzy/wrzeciona kariokinetycznego robi karierę, a mianowicie leczenie niepłodności. Idea, że w niektórych przypadkach przyczyna niepłodności może leżeć poza genomem jądrowym nie jest nowa i na przełomie wieków, głównie w Stanach Zjednoczonych, stosowano wzbogacanie oocytu cytoplazmą od dawczyni. W wyniku takiego postępowania urodziło się ponad trzydzieścioro dzieci, jednak ze względu na kilka przypadków chorób genetycznych i rozwojowych, w 2001 procedura ta została W USA zakazana do czasu aż będzie więcej przesłanek naukowych wspierających jej zastosowanie.

Na idei mitochondrialnej czy cytoplazmatycznej przyczyny niepłodności bazują kliniki oferujące parom mającym problemy z zajściem w ciążę transfer przedjądrzy czy też wrzeciona kariokinetycznego. Media donosiły szeroko o dwóch przypadkach urodzenia się dzieci w rodzinach borykających się z niepłodnością (jeden na Ukrainie i jeden w Grecji), ale w rzeczywistości jest ich więcej. Niejasne jest jednak, na ile to właśnie transfer stał się ojcem sukcesu, bo wyniki badań naukowych są niejednoznaczne. Wiadomo także, że wiele prób nie zakończyło się sukcesem.

 

Bibliografia

  1. Craven L, Tuppen HA, Greggains GD, Harbottle SJ, Murphy JL, Cree LM, Murdoch AP, Chinnery PF, Taylor RW, Lightowlers RN, Herbert M, Turnbull DM. Pronuclear transfer in human embryos to prevent transmission of mitochondrial DNA disease.Nature. 2010 May 6;465(7294):82-5. doi: 10.1038/nature08958. Epub 2010 Apr 14. PMID: 20393463
  2. Cree, L; Loi, P. Mitochondrial replacement: from basic research to assisted reproductive technology portfolio tool-technicalities and possible risks. Mol Hum Reprod. 2015 Jan;21(1):3-10. doi:10.1093/molehr/gau082. PMID 25425606
  3. Zhang J, Liu H, Luo S, Lu Z, Chávez-Badiola A, Liu Z, Yang M, Merhi Z, Silber SJ, Munné S, Konstantinidis M, Wells D, Tang JJ, Huang T. Live birth derived from oocyte spindle transfer to prevent mitochondrial disease. Reprod Biomed Online. 2017 Apr;34(4):361-368. doi: 10.1016/j.rbmo.2017.01.013. PMID: 2838533
  4. The Human Fertilisation and Embryology (Mitochondrial Donation) Regulations 2015

 

Podziel się: