Il colpo di fortuna dietro il primo trattamento CRISPR

È arrivato l’editing genetico per l’anemia falciforme. Ecco come i ricercatori sapevano quale DNA modificare.

Il primo trattamento commerciale di editing genetico al mondo è destinato a cambiare la vita delle persone affette dalla malattia falciforme. Si chiama Casgevy ed è stato approvato il mese scorso nel Regno Unito. L’approvazione negli Stati Uniti è attesa per questa settimana.

Il trattamento, che sarà venduto negli Stati Uniti da Vertex Pharmaceuticals, impiega CRISPR, la tecnica di forbici molecolari premiata con il Nobel che ha spinto i giornalisti a cercare metafore: “coltellino svizzero”, “bisturi molecolare” o “copia e incolla del DNA”. In effetti, il CRISPR è rivoluzionario perché gli scienziati possono programmarlo così facilmente per tagliare il DNA in punti precisi a loro scelta.

Ma dove si “punta” il CRISPR? Questa è la storia meno nota della scoperta della falcemia. La malattia è causata da un difetto dell’emoglobina, la molecola che trasporta l’ossigeno nel sangue. Per curarla, però, Vertex e la sua azienda partner, CRISPR Therapeutics, non stanno correggendo i geni responsabili della mutazione che rende queste molecole deformi. Il nuovo trattamento prevede invece una sorta di iniezione molecolare: una modifica che attiva l’emoglobina fetale, una seconda forma della molecola che abbiamo nel grembo materno ma che perdiamo da adulti. 

Si può pensare che la modifica funzioni come una sorta di doppio negativo. Aggiunge un errore ortografico al turbo-booster di un altro gene, BCL11A, che di per sé inibisce la produzione di emoglobina fetale negli organismi adulti. Senza questo potenziatore, c’è meno inibizione e più emoglobina fetale.

“Quando si inibisce il potenziatore, si inibisce anche l’inibitore”, afferma Daniel Bauer, professore dell’Ospedale pediatrico di Boston e dell’Università di Harvard, che ha contribuito alla sua elaborazione. “È piuttosto complicato”.

L’importante è il lieto fine e questa cura funziona davvero. Alcuni pazienti raccontano di aver vissuto nella paura di morire, sia per un attacco acuto di sickling (quando i globuli rossi iniziano a ostruire i vasi) sia per un lento e insidioso danno agli organi. Ora i primi volontari dicono di essere grati – e, dopo aver convissuto con la malattia per tutta la vita, anche un po’ scioccati – di essere guariti. 

Teoria del neonato

L’idea che l’emoglobina fetale possa proteggere dalla malattia è vecchia. La falcemia è più comune nelle persone di origine africana. Nel 1948 un medico di Long Island, Janet Watson, aveva notato che i neonati non mostravano mai i segni della malattia, il principale dei quali erano i globuli rossi deformati e a forma di mezzaluna. Era piuttosto strano per una condizione innata.

“La malattia falciforme dovrebbe manifestarsi nell’infanzia con la stessa frequenza con cui si manifesta nel corso della vita”, ha scritto Watson. Ma poiché non si verificava, Watson ipotizzò che la forma fetale della molecola, attiva nel grembo materno, proteggesse i bambini per alcuni mesi dopo la nascita, fino a quando non veniva sostituita dalla versione adulta: “la teoria che si presenta subito è che l’emoglobina fetale non è in grado di produrre sickling”.

Aveva ragione. Ma ci sono voluti altri sessant’anni per capire come funzionava l’interruttore e come farlo tornare indietro. Molte di queste scoperte sono state fatte nel laboratorio di Stuart Orkin, un ricercatore di Harvard che ha pubblicato il suo primo articolo nel 1967 e che ha vissuto diverse epoche di ricerca sulle malattie del sangue, a partire dagli albori della biologia molecolare.

“Sono uno degli ultimi rimasti”, mi ha detto Orkin con un sorriso quando l’ho incontrato per un panino con carne in scatola.

È uno scienziato intelligente che molto tempo fa decise di studiare come viene regolato il sistema sanguigno. Dal punto di vista logistico, si trattava di un ottimo argomento: le cellule del sangue sono facili da reperire e da studiare.

“Mi piace risolvere un problema, e questo è un problema che potrebbe essere risolto”, dice Orkin. “Come funziona il sistema? Si può fare qualcosa?”.

Salsa speciale

Bill Lundberg, ex direttore scientifico di CRISPR Therapeutics, la biotecnologia che per prima ha iniziato a sviluppare il trattamento otto anni fa (Vertex si è poi unita come partner), afferma che il progetto sulla falcemia dell’azienda si è avvalso direttamente delle scoperte di Orkin. “Il ruolo di Stu è davvero poco apprezzato”, afferma. “Nel giro di pochi anni, il suo laboratorio ha condotto una serie di esperimenti, ogni volta con un nuovo studente, ognuno dei quali è stato pubblicato su Science o Nature. È stata questa, in definitiva, la salsa speciale che abbiamo finito per utilizzare”.

Visti i riconoscimenti dei media per l’editing CRISPR, molte persone non si rendono conto che in realtà è la soluzione migliore per eliminare “errori” nei geni, non per fare riscritture di stile (anche se questo è in arrivo). Per le prime startup CRISPR, questo significava trovare geni da disattivare. Che cosa si poteva rompere nel genoma per invertire una malattia?

Tre società – Editas, Intellia e CRISPR Therapeutics – hanno ottenuto grandi finanziamenti da venture capitalist intorno al 2014. Per queste startup, la sola idea di modificare il genoma delle persone sembrava abbastanza radicale. “Quello che ho detto è stato: non risolviamo i problemi del mondo. Semplifichiamo. Chiediamoci dove la genetica umana ci insegna che se facciamo la modifica, curiamo la malattia”, ricorda Lundberg a proposito dei suoi incontri con i fondatori dell’azienda. “Ed è qui che sono entrati in gioco 50 anni di ricerca sull’emoglobina fetale”.

L’anemia falciforme era un obiettivo interessante. È la malattia genetica ereditaria grave più comune negli Stati Uniti. Inoltre, le cellule staminali che producono i globuli rossi e bianchi possono essere rimosse dal corpo di una persona e poi reimmesse attraverso il trapianto di midollo osseo. In questo modo si eviterebbe la necessità di utilizzare tecnologie complesse per somministrare il trattamento al corpo delle persone. Il tutto potrebbe essere fatto in laboratorio.

È proprio così che funziona il trattamento Vertex. Alcune cellule staminali di un paziente vengono rimosse dal sangue con una macchina filtrante e la proteina di taglio CRISPR viene aggiunta ad esse con una scossa elettrica in modo che possa cercare e rompere il gene BCL11A, quello che controlla la produzione di emoglobina fetale. Le cellule modificate vengono quindi reintrodotte nel paziente. Si moltiplicano e iniziano a produrre emoglobina fetale, proprio come nei neonati che Watson ha notato non essere malati.

È tutto fattibile, ma è anche un’impresa faticosa per i pazienti. Un trapianto di midollo osseo comporta la chemioterapia. I medici devono distruggere il sistema sanguigno per fare spazio alle cellule staminali modificate. I pazienti trascorrono molte settimane in ospedale e possono diventare sterili a causa del trattamento. Solo le persone con i sintomi più insopportabili – forse uno su 10 malati di falcemia – dovrebbero optare per questa cura.

Il trattamento Vertex è una pietra miliare perché siamo ora nell’era della riscrittura commerciale dei genomi umani. “È un’enorme pietra miliare nella storia dell’umanità e un’importante pietra miliare per ciò che sarà possibile in futuro”, afferma William Pao, ex responsabile dello sviluppo di farmaci alla Pfizer, che ha studiato il farmaco Vertex per un libro di prossima pubblicazione su quali ingredienti vengono utilizzati per le scoperte mediche.

“Ogni farmaco che viene approvato deve raggiungere un punto di forza, ovvero un’intersezione di conoscenze scientifiche, tecniche e cliniche”, afferma Pao. Queste combinazioni sono anche il motivo per cui i nuovi farmaci tendono ad arrivare in pacchetti. Non c’è solo un nuovo antidepressivo, ma improvvisamente ce ne sono cinque. “Una volta che si ha un’intuizione straordinaria, tutti si precipitano”, dice Pao. Questo vale anche per la falcemia. Sono in fase di sperimentazione altri due trattamenti di editing genetico che cercano di aumentare l’emoglobina fetale, uno di Editas Medicines e uno di Beam Therapeutics. Inoltre, questo mese la FDA potrebbe approvare una terapia genetica della BlueBird Bio che aggiunge una nuova copia completa del gene dell’emoglobina. 

Malattia molecolare

Pao mi ha detto che secondo lui le storie che stanno dietro ai nuovi farmaci non ricevono abbastanza attenzione. Alla gente piace vedere film su come Mark Zuckerberg ha rubato l’idea di Facebook o scoprire come Jony Ive ha progettato l’iPhone. “Ma nel caso dei farmaci, i nomi sono difficili da pronunciare, la maggior parte delle persone non vuole assumere farmaci, e questo avviene nell’arco di decenni”, afferma. “Non è un’applicazione che si tiene in mano”.

Per la falcemia, il viaggio dalla causa alla cura è iniziato nel 1910, quando un medico statunitense osservò per la prima volta, al microscopio, che i globuli rossi di un uomo delle Indie Occidentali avevano una forma a “mezzaluna” o “falce”. La forma è dovuta a un’emoglobina mutata, che rende le cellule appiccicose e meno capaci di trasportare ossigeno nel corpo.

La malattia acquistò maggiore notorietà (soprattutto negli ambienti scientifici) nel 1949, quando il chimico Linus Pauling, che avrebbe vinto due Nobel, misurò una differenza di carica atomica tra l’emoglobina normale e quella falciforme, portandolo a definire la falcemia la “prima malattia molecolare” e l’inizio di una nuova era della medicina “scientifica”.

Nella ricerca di una cura, i ricercatori hanno continuato a tornare all’osservazione di Watson sull’emoglobina fetale. Avrebbero appreso che ognuno di noi produce un po’ della versione fetale, circa l’1% dell’emoglobina totale, anche se la quantità può variare da persona a persona. Questa variazione ha permesso ai ricercatori di studiarne gli effetti negli adulti, quasi come se si trattasse di un farmaco da assumere. Negli anni ’90, i medici hanno seguito i pazienti affetti da falcemia abbastanza a lungo da osservare che più emoglobina fetale avevano, più a lungo vivevano.

Il problema era come aumentare la produzione di emoglobina fetale negli adulti. È noto che quasi tutti gli animali vertebrati esprimono versioni fetali dell’emoglobina prima della nascita. Gli scienziati ritengono che si tratti di un adattamento evolutivo, un modo per ottenere più ossigeno dalla placenta. Tuttavia, anche se i geni dell’emoglobina sono stati tutti trovati e sequenziati negli anni ’80 (e il genoma umano completo è stato reso disponibile intorno al 2003), i ricercatori non avevano ancora idea di cosa causasse il passaggio da feto ad adulto.

Scansione genetica

Poi è arrivata in soccorso una nuova tecnologia genetica. Dopo la conclusione dello Human Genome Project, i ricercatori avevano iniziato a generare mappe genetiche approssimative per migliaia di persone. Questo permetteva di correlare piccole differenze di DNA tra le persone con differenze misurabili nei loro corpi: l’altezza o la presenza di determinate malattie. La nuova tecnica, chiamata “genome-wide association”, era un metodo statistico per chiedere alle varianti genetiche influenti di farsi avanti e di essere contate.

La tecnica dell’associazione non ha sempre dato i suoi frutti, ma a partire dal 2007 la ricerca genetica ha dato risultati per la falcemia. In uno studio, per esempio, un’équipe italiana ha studiato il DNA di migliaia di sardi (alcuni dei quali affetti da beta-talassemia, un’altra malattia dell’emoglobina, che è incredibilmente comune sull’isola) e di americani affetti da falcemia. Quando hanno confrontato il DNA di ogni persona con la quantità di emoglobina fetale che ognuno aveva, sono emerse variazioni in un gene: BCL11A.

Questo gene si trovava lontano dalle sequenze dell’emoglobina, anzi su un cromosoma completamente diverso. E fino ad allora era noto soprattutto per il suo legame con alcuni tipi di cancro. È stata una vera sorpresa. “Nessuna sequenza avrebbe potuto dirci cosa cercare”, dice ora Orkin. Ma il segnale lampeggiante ha detto che questo poteva essere il meccanismo di controllo”. Orkin ama illustrare l’impatto di questo indizio con una citazione di Marcel Proust: “L’unico vero viaggio di scoperta non consiste nel cercare nuovi paesaggi, ma nell’avere nuovi occhi”.

Tutti gli occhi erano ora puntati su BCL11A. Molto rapidamente, gli studenti e i tirocinanti di Orkin dimostrarono che poteva controllare l’emoglobina fetale. Si trattava infatti di un fattore di trascrizione, un tipo di gene che controlla altri geni. Spegnendo BCL11A sono stati in grado di riavviare la produzione di emoglobina fetale nelle cellule che crescevano nel loro laboratorio e più tardi, nel 2011, hanno dimostrato che i topi potevano essere curati dalla falcemia nello stesso modo. “Ciò significava che se si poteva fare questo a un paziente, lo si poteva curare”, dice Orkin.

Tuttavia, negli esseri umani non sarebbe stato così semplice spegnere completamente il gene. BCL11A si è rivelato un gene importante e la sua perdita non è stata positiva per i topi. Uno studio ha rilevato che i topi che ne erano privi morivano per lo più entro sei mesi. Ma poi è arrivata un’altra fortuna: i risultati dello studio in Sardegna. Si è scoperto che si concentravano in una regione speciale del gene BCL11A, chiamata “enhancer eritroide”, attiva solo durante la produzione di globuli rossi.

Consideratelo come un pedale dell’acceleratore per BCL11A, ma che viene utilizzato esclusivamente quando una cellula staminale sta producendo globuli rossi – un lavoro importante, tra l’altro, dato che il corpo ne produce alcuni miliardi ogni giorno. “È assolutamente specifico per ogni cellula”, afferma Orkin. E questo significa che il pedale dell’acceleratore può essere modificato: “siamo passati dall’intero genoma a un [sito] che potevamo sfruttare terapeuticamente”.

Obiettivo del farmaco

L’interruttore era stato per lo più una questione di curiosità scientifica. Ma ora i ricercatori di Harvard e di una società con cui hanno collaborato, la Sangamo Biosciences, hanno iniziato a definire un trattamento. Hanno riempito l’enhancer con ogni possibile modifica dannosa, “come un mucchio di proiettili”, dice Bauer, che ha svolto il lavoro ad Harvard. Alla fine hanno trovato quella perfetta: una singola modifica che avrebbe abbassato BCL11A di circa il 70%, consentendo di conseguenza l’aumento dell’emoglobina fetale.

Il bersaglio dell’editing, un breve tratto di poche lettere di DNA, non compare mai in altre parti del genoma nella maggior parte delle persone. Questo è importante, perché una volta programmato, CRISPR taglia la sequenza bersaglio corrispondente ogni volta che la incontra, che lo si voglia o meno. La creazione di modifiche extra non intenzionali è considerata pericolosa, ma Bauer dice di aver trovato solo un punto “fuori bersaglio”, che secondo le sue stime apparirà nel genoma in circa il 10% degli afroamericani. Ma la sua posizione non è in un gene, quindi non si prevede che le modifiche accidentali siano importanti. Bauer ritiene che il rischio, qualunque esso sia, sia probabilmente molto più basso del pericolo rappresentato dalla malattia falciforme.

Ci sono segnali che indicano che il laboratorio di Orkin potrebbe aver trovato una modifica perfetta, che non può essere facilmente migliorata. Il suo istituto, il Boston Children’s Hospital, ha brevettato le scoperte e successivamente CRISPR Therapeutics e Vertex hanno accettato di pagare i diritti di utilizzo della modifica. Probabilmente anche loro contribuiranno con le royalties, una volta che il trattamento sarà in vendita. Orkin mi ha detto che secondo lui le aziende hanno cercato di sviluppare un’alternativa, una modifica diversa e vicina, ma non hanno avuto successo. “Hanno cercato di trovarne una migliore, ma non ci sono riusciti”, dice Orkin. “Noi abbiamo tutto”. 

Tradurre questa fortuna in un trattamento di editing genetico reale è stato il lavoro più grande e complesso. E non è stato economico. Secondo Solt DB, una società che analizza le finanze delle biotecnologie, i rapporti finanziari di CRISPR Therapeutics indicano che la produzione del trattamento, il reclutamento degli ospedali e la sperimentazione su circa 90 persone in un trial hanno richiesto finora più di un miliardo di dollari.

Si tratta di un investimento molto elevato per un prodotto. Per fare un paragone, è più del doppio di quanto Tesla ha speso prima di lanciare la sua prima auto elettrica, la Roadster. Ma il ritorno potrebbe anche essere elevato. Dopo l’approvazione del trattamento da parte della FDA, nel corso di questa settimana, Vertex annuncerà il prezzo. Si ipotizza già che il trattamento possa costare 3 milioni di dollari, senza contare la degenza in ospedale.

Orkin è pronto a dare credito alle aziende per il rapido sviluppo della cura. Hanno impiegato solo otto anni. Ma pensa che abbia contribuito il fatto che avessero la modifica perfetta. “Per me, tutta la scoperta è stata fatta nel 2015. Abbiamo definito come farlo e poi è stata una questione di esecuzione”, afferma. “Ma le aziende hanno eseguito in modo impeccabile, e non tutte lo fanno”.