การปรับแต่งจีโนม (Genome Editing) เพื่อการบำบัดรักษา
เดือนพฤศจิกายน ค.ศ. 2013 ลิงแสมฝาแฝดตัวเมีย ชื่อ หมิงหมิง และ หลิงหลิง ได้ถือกำเนิดขึ้นที่สถาบันวิจัยด้านชีวการแพทย์ในเมืองคุนหมิง มณฑลยูนนาน สาธารณรัฐประชาชนจีน เป็นการถือกำเนิดแบบไม่ธรรมดา เนื่องจากก่อนหน้านั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองใช้เทคโนโลยีใหม่ด้านพันธุวิศวกรรมที่เรียกว่า CRISPR (ย่อมาจาก Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats) ไปการปรับเปลี่ยนพันธุกรรมของไข่ที่ผ่านการปฏิสนธิแล้ว โดยทำการแก้ไขยีนจำนวน 3 ยีน แล้วฝังไข่ดังกล่าวในแม่ลิง ผลปรากฏว่าลิงฝาแฝดเกิดมาโดยมีสุขภาพดี การทดลองนี้จึงเป็นครั้งแรกที่ CRISPR ถูกนำมาใช้เพื่อการปรับเปลี่ยนพันธุกรรมแบบกำหนดเป้าหมายที่ชัดเจน อาจถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ด้านชีวการแพทย์ในอันที่จะรักษาโรคที่มีความซับซ้อน
CRISPR ได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ฮาวาร์ด เอ็มไอที และที่อื่นๆ เป็นเครื่องมือที่เชื่อกันว่าจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทำการ “ศัลยกรรมจีโนม” ได้ค่อนข้างแม่นยำและง่ายดาย เป้าหมายของการทดลองที่คุนหมิงจึงเป็นการยืนยันว่าเทคโนโลยีดังกล่าวสามารถสร้างลิงที่มีการกลายพันธุ์หลายตำแหน่งในจีโนมได้ชัดแจ้ง
เดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา เป็นครั้งแรกของโลกที่นักวิทยาศาสตร์จีนได้รายงานความสำเร็จของการปรับแต่งจีโนมของตัวอ่อนมนุษย์ (ก่อนหน้านี้เป็นเพียงข่าวลือมาโดยตลอด)
คณะผู้วิจัยขงมหาวิทยาลัยซุนยัดเซน ในเมืองกวางโจว ซึ่งนำโดย Junjiu Huang เลือกนำตัวอ่อนที่จะไม่สามารถเกิดมาเป็นสิ่งมีชีวิต (non-viable embryo) มาทดสอบ โดยได้ตัวอ่อนจากคลินิกแห่งหนึ่งในท้องถิ่น คณะผู้วิจัยได้ตัดยีนของโปรตีนที่มีชื่อว่า เบต้าโกลบิน (β-globin gene) ที่ผิดปกติ ซึ่งเกี่ยวข้องกับโรคโลหิตจางเบต้าธาลัสซีเมีย (β-thalassemia) ออกจากจีโนมโดยใช้เอนไซม์ CRISPR/Cas9 ซึ่งได้ผลตามที่คาดหวัง แต่ประสิทธิภาพของการซ่อมแซมโดยเทคนิค homologous recombination directed repair (HDR) ยังอยู่ในระดับต่ำ คณะผู้วิจัยชี้แจงว่า ผลการทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นถึงอุปสรรคที่สำคัญในการใช้วิธีดังกล่าวในทางการแพทย์
"ผมเชื่อว่านี่เป็นรายงานแรกที่แสดงการใช้ CRISPR/Cas9 กับตัวอ่อนของมนุษย์ก่อนการฝังในมดลูก (pre-implantation embryo) การศึกษานี้เป็นหลักหมุดสำคัญพอๆ กับเป็นการเตือนไปในตัว" George Daley นักชีววิทยาเซลล์ต้นกำเนิดที่ Harvard Medical School ในบอสตันกล่าว "การศึกษาของพวกเขาเป็นการเตือนอย่างชัดเจนไปยังผู้ที่คิดว่าเทคโนโลยีนี้มีความพร้อมสำหรับการทดสอบในการกำจัดยีนที่เป็นสาเหตุของโรค"
บางคนเห็นว่าการแก้ไขยีนในตัวอ่อนมีอนาคตที่สดใส เพราะเชื่อว่าจะช่วยกำจัดโรคทางพันธุกรรมก่อนทารกจะถือกำเนิด ในขณะที่บางมองว่างานวิจัยดังกล่าวข้ามเส้นจริยธรรม นักวิจัยบางคนเตือนว่าการเปลี่ยนแปลงพันธุกรรมของตัวอ่อนเป็นการปรับเปลี่ยนระดับเซลล์สืบพันธุ์ จึงอาจเป็นมรดกตกทอดที่สามารถส่งต่อไปยังรุ่นต่อๆ ไปได้ โดยที่เราไม่สามารถคาดเดาผลกระทบที่จะเกิดขึ้นกับคนรุ่นต่อไปอนาคต
อันที่จริงเทคนิคการฉีดตัวอ่อนด้วยเอนไซม์ CRISPR/Cas9 นี้ถูกนำมาใช้การศึกษากับเซลล์ของผู้ใหญ่และตัวอ่อนของสัตว์แล้ว แต่ยังไม่เคยมีรายงานการใช้งานในตัวอ่อนมนุษย์เช่นนี้มาก่อน
Huang และคณะตั้งใจใช้เทคนิคนี้เพื่อ “จัดการ” ยีนที่เป็นปัญหาอย่างจำเพาะเจาะจง โดยพวกเขาเลือกใช้ตัวอ่อนที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้ในการปฏิสนธิในหลอดทดลอง (in vitro fertilization) แต่ตัวอ่อนนี้มีโครโมโซมเพิ่มขึ้นมาอีก 1 ชุด (ปกติเซลล์ของคนมีโครโมโซม 2 ชุด) เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวอ่อนดังกล่าวเติบโตเป็นตัวเป็นตนได้ แม้จะเติบโตไปจนถึงขั้นตอนแรกของการพัฒนา (first stage development) ได้ก็ตาม
คณะผู้วิจัยไม่ได้ทำการทดลองกับเซลล์ตัวอ่อนเพียงเซลล์เดียว แต่ใช้เซลล์ตัวอ่อนถึง 86 เซลล์ โดยฉีด CRISPR/Cas9 ให้แต่ละเซลล์ แล้วรอเป็นเวลา 48 ชั่วโมง ซึ่งมากพอสำหรับกระบวนการซ่อมแซมดีเอ็นเอ ณ ยีนเบต้าโกลบิน ผลปรากฏว่าตัวอ่อน 71 เซลล์ที่รอดชีวิต ในจำนวนนี้มี 54 เซลล์ที่ถูกนำมาทดสอบพันธุกรรม และแสดงให้เห็นว่ามีเพียง 28 เซลล์เท่านั้นที่ยีนเบต้าโกลบินถูกกำจัดออกไป นอกจากนี้ มีเพียงบางส่วนนั้นที่มีการทดแทนด้วยดีเอ็นเอปกติ
"ถ้าคุณต้องการที่จะใช้เทคนิคนี้ในตัวอ่อนปกติ คุณจะต้องมั่นใจว่ามันได้ผลเกือบ 100%" Huang กล่าว "นั่นเป็นเหตุผลที่เราหยุดไว้แค่นี้ เรายังคิดว่ายังไม่ถึงเวลา"
เดิมรายงานนี้ถูกปฏิเสธจากวารสาร Science และ Nature ส่วนหนึ่งเพราะมีการคัดค้านด้านจริยธรรม ซึ่ง Huang ยอมรับคำวิจารณ์ แต่เขาเสริมว่า ข้อวิจารณ์ที่ตั้งข้อสังเกตว่าการทดลองมีประสิทธิภาพต่ำและมีอัตราการกลายพันธุ์สูงนั้น อาจเป็นเพราะตัวอ่อนที่ใช้ในการศึกษาเป็นตัวอ่อนที่ผิดปกติ และเขาเลือกใช้ตัวอ่อนชนิดนี้เพราะมีความคล้ายคลึงกับตัวอ่อนมนุษย์ปกติมากกว่าตัวอ่อนของสัตว์หรือเซลล์ของมนุษย์ที่เป็นผู้ใหญ่
"เราต้องการที่จะแสดงข้อมูลของเราที่เกิดขึ้นจริงกับตัวอ่อนที่เราใช้ มากกว่าเพียงการพูดคุยเกี่ยวกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นโดยไม่มีข้อมูลใดๆ มารองรับ" เขากล่าว
อย่างไรก็ตาม Huang วางแผนที่จะหาทางลดอัตราการกลายพันธุ์โดยทดลองในเซลล์ของมนุษย์ที่เป็นผู้ใหญ่หรือตัวอ่อนของสัตว์ ร่วมกับการใช้เทคนิคอื่นๆ ที่ต่างจากเดิม เช่น เทคนิคที่เรียกว่า TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่ไม่ได้ตั้งใจน้อยกว่า
ปัจจุบันมียีนกว่า 25,000 ยีนที่ถูกค้นพบในจีโนมของมนุษย์ ในจำนวนนี้มีมากกว่า 3,000 ยีนที่เกี่ยวข้องกับการเกิดโรค ปัจจัยที่ทำให้การวิจัยที่มุ่งศึกษาพันธุกรรมของโรคต่างๆ ในมนุษย์ได้รับความสนใจมากขึ้น ได้แก่ ข้อมูลลำดับดีเอ็นเอจากโครงการจีโนมมนุษย์ (Human genome project) ต้นทุนในการหาลำดับเบสในดีเอ็นเอลดลงอย่างมาก และข้อมูลลำดับเบสที่เกี่ยวข้อกับโรคต่างๆ ในมนุษย์มีมากขึ้น การศึกษากลไกการทำงานของยีนกับการเกิดโรคจะนำไปสู่แนวทางในการรักษา โดยแนวทางหนึ่งที่กำลังเป็นที่สนใจคือ การเปลี่ยนลำดับเบสหรือการปรับแต่งจีโนมในเซลล์หรือเนื้อเยื่อที่เกิดโรค โดยเฉพาะโรคที่เกิดจากยีนเดียว (monogenic disease) เช่น โรคภูมิคุ้มกันบกพร่องชนิด severe combined immonodefficiency (SCID) โรคฮีโมฟีเลีย (hemophilia) เป็นต้น
เทคโนโลยีการปรับแต่งจีโนมเป็นเทคโนโลยีในการเปลี่ยนรหัสพันธุกรรมที่ตำแหน่งจำเพาะของสิ่งมีชีวิตให้คงอยู่อย่างถาวร ด้วยการทำให้ดีเอ็นเอสายคู่ ณ จุดที่มีลำดับเบสเป้าหมายแยกออกจากกัน เรียกว่า double-stranded brake (DSB) โดยใช้เอนไซม์ endonuclease ปกติแล้ว หากปรากฏการณ์ DSB เกิดขึ้นตามธรรมชาติและปล่อยทิ้งไว้จะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต จึงมีกลไกในการซ่อมแซม DSB เช่น
- Homologous recombination-directed repair (HDR) ซึ่งนำเอาชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่ปกติสอดแทรกเข้าไปทดแทนในบริเวณเป้าหมายของจีโนม
- Non-homologus end joining (NHEJ) เป็นการทำให้ส่วนของดีเอนเอที่ผิดปกติหลุดออกไป แล้วเชื่อมปลายโครโมโซมทั้ง 2 ข้างที่เหลืออยู่เข้าหากัน ทำให้ยีนที่ผิดปกติไม่สามารถแสดงออกได้อีกต่อไป (เรียกว่า gene knockout)
เทคโนโลยีการปรับแต่งจีโนมที่ได้รับการพัฒนาในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้เอนไซม์ที่เรียกว่า programmable nuclease ซึ่งมีหลายชนิด เช่น meganuclease, zinc finger nuclease, TALEN, CRISPR เป็นต้น
อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มมองว่าเทคโนโลยีนี้อาจสามารถนำไปใช้รักษาโรคที่เกิดจากไวรัสได้ด้วย เช่น HIV, human papilloma virus (HPV), ไวรัสตับอักเสบชนิดบี (hepatitis B virus) เป็นต้น
ที่มา
- http://www.technologyreview.com/featuredstory/526511/genome-editing/
- Liang P, et al. (2015) CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes. Protein & Cell, 6(5) 363-372.
- Cox DBT, et al. (2015) Therepeutic genome editing: prospects and challenges. Nat. Medicine 21(2) 121-131.
- Cyranoski D & Reardon S. (2015) Chinese scientists genetically modify human embryos. Nature doi:10.1038/nature.2015.17378
