Una nueva versión de CRISPR, la edición de bases, revela un factor esencial en el desarrollo de los embriones humanos

En 2015, apenas dos años después de que el mundo conociera el enorme potencial de las herramientas CRISPR-Cas9 de edición genética, un equipo de investigadores chinos publicó el primer artículo que demostraba que era posible editar embriones humanos con estas herramientas, de la misma manera que veníamos haciéndolo con embriones de ratón. Aquel primer artículo suscitó muchas críticas, especialmente de aquellos que consideraban que un embrión humano unicelular, un cigoto, ya es y tiene la identidad de una persona. Los investigadores se anticiparon a las críticas al usar embriones triplonucleares (con tres núcleos), producto de la fecundación anómala de un óvulo por dos espermatozoides. Esto es algo que sucede habitualmente al aplicar las técnicas de fecundación in vitro.

Estos embriones con tres núcleos no pueden proseguir el desarrollo, más allá de unas pocas divisiones celulares, y acaban degenerando y muriendo, y por ello son rutinariamente descartados. Estos fueron los embriones usados por los investigadores. Con ello estaban lanzando la idea de que no tenían ningún interés en implantar los embriones humanos editados (si lo hubieran hecho nunca habría nacido un niño de ellos) y podían explicar que tan solo estaban interesados en averiguar si las herramientas CRISPR-Cas9 podían usarse con éxito en embriones humanos preimplantacionales, como así comprobaron.

En Europa, los investigadores tardaron dos años en hacer un experimento parecido. Y lo llevó a cabo una investigadora llamada Kathy Niakan, entonces en el Instituto Francis Crick de Londres, que fue más allá y decidió usar las CRISPR para investigar las posibles diferencias entre los embriones humanos y de ratón de la fase preimplantacional, esto es, antes de implantarse en el útero.

Gran parte de lo que sabemos de embriología temprana humana deriva de los estudios realizados con embriones de ratón. Naturalmente, estos experimentos se hacían bajo la hipótesis de que estas dos especies de mamíferos tendrían desarrollos genéticos y celulares similares, equivalentes. Pero Kathy Niakan sospechaba que eso no era del todo cierto. Decidió solicitar permiso a la autoridad británica de embriología y fertilidad humana (HFEA) para usar embriones humanos sobrantes de procesos de fecundación in vitro para inactivar mediante CRISPR, en paralelo, en embriones de ratón y humanos, el mismo gen (POU5F1, que codifica el factor de transcripción OCT4), para analizar si las consecuencias eran comparables. Y no lo fueron. En 2017, cuando publicó los resultados del estudio en la revista Nature, demostró que la inactivación de OCT4 en embriones humanos bloqueaba el desarrollo del embrión, que era incapaz de llegar al estadio de blastocisto. Mientras que la inactivación del mismo gen (Pou5f1) en ratones no parecía afectar al desarrollo temprano de los embriones de ratón, que llegaban a completar la fase de blastocisto sin problemas, sin aparentemente necesitar Oct4.

Ese trabajo de Niakan nos demostraba, de forma incontestable, que no podíamos usar los embriones de ratón para entender las fases tempranas del desarrollo de un embrión humano antes de implantarse, porque eran sensiblemente diferentes. De ese trabajo se podía deducir que había que continuar investigando sobre embriones humanos, no sobre embriones de ratón, si queríamos entender la embriología de las fases iniciales en los seres humanos.

Nueve años después de aquel hito, el mismo laboratorio de Kathy Niakan, ahora liderando un centro de investigación (Loke Centre for Trophoblast Research) dependiente de la Universidad de Cambridge, y en colaboración con otros investigadores e instituciones, ha usado las herramientas CRISPR de segunda generación, los editores de bases (diseñados por David R. Liu, del instituto BROAD, en 2016, más específicos y con menor riesgo de modificaciones inesperadas en otros lugares del genoma), para inactivar otro gen de expresión temprana: NANOG.

Los resultados de la investigación aparecen publicados en la revista Nature esta semana. De nuevo, en embriones humanos sobrantes derivados de fecundaciones in vitro y en embriones de ratón. Y, de nuevo, con resultados sorprendentes. La inactivación del gen NANOG en embriones humanos impacta directamente en el epiblasto (la masa interna celular), el botoncito de células pluripotentes de las cuales derivarán todos los tipos celulares y tejidos del feto en formación, pero deja aparentemente intactos los tejidos que formarán la placenta y el saco vitelino, derivados de los trofoblastos (las células que rodean al blastocisto). Por el contrario, la inactivación del gen homólogo Nanog en embriones de ratón desorganiza por igual al epiblasto y los trofoblastos que darán origen a la placenta y al saco vitelino. Una nueva prueba aportada por la misma investigadora, Kathy Niakan, de que las fases iniciales del desarrollo de los embriones humanos y de ratón no son equivalentes. Y la confirmación de que el gen NANOG es esencial para el desarrollo y diferenciación de las células pluripotentes del embrión.

Y una nueva constatación de que debemos seguir investigando con embriones humanos, sobrantes de los procesos de fecundación in vitro, con los permisos necesarios de las autoridades, para precisamente entender las fases iniciales del desarrollo de un embrión humano. Esto podría aportar nuevo conocimiento para incrementar la eficacia de implantación de los embriones humanos, y la posibilidad de iniciar la gestación con éxito, uno de los pasos más delicados de las técnicas de reproducción asistida donde siguen fallando muchos embriones humanos, que desafortunadamente no llegan a término, obligando a las mujeres o a las parejas interesadas a iniciar un nuevo ciclo de fecundación in vitro. Este es el impacto potencial de esta nueva investigación de la investigadora Kathy Niakan.

Este es el segundo artículo que usa editores de bases en embriones humanos, tras el depositado en el servidor de preprints bioRxiv, todavía no publicado, que, sin embargo, fue comentado en la revista Nature hace unas pocas semanas. En aquel estudio los investigadores estadounidenses, liderados por Dieter Egli, mostraban cómo podían usarse estos editores de bases para mutar varios genes, con un objetivo terapéutico, con elevada eficiencia y sin apenas problemas asociados en otras partes del genoma.

Ambos artículos demuestran que ya es posible editar genéticamente embriones humanos de forma segura y eficaz con editores de bases, al contrario de lo que ocurría con las herramientas CRISPR-Cas9 de primera generación, cuyo uso en embriones humanos (y de ratón o de cualquier otra especie) está asociado a múltiples alteraciones imprevisibles en el genoma. Algo que, desgraciadamente, pudimos comprobar tras el desafortunado experimento de He Jiankui en 2018, del que nacieron las primeras tres niñas con el genoma editado, pero con modificaciones genéticas imprevistas, que han obligado al gobierno chino a monitorizar médicamente estas niñas en previsión de posibles patologías que pudieran aparecer.

A veces nos gusta que haya un halo de misterio, pero sin conocimiento no se puede hacer gran cosa para resolver los problemas; además, saber cómo funciona algo no resta valor al asombro, sino que lo potencia. Teniendo en cuenta todo lo que puede salir mal entre el momento en que se produce la fecundación y el nacimiento de un bebé sano (y unos padres felices), hasta el punto de que este proceso fracasa en aproximadamente el 70 % de los casos, cuanto mejor comprendamos las primeras etapas del desarrollo del embrión humano, mayores serán nuestras posibilidades de reducir la angustia, la decepción y, en ocasiones, los trastornos debilitantes. 

El trabajo de Oliver Bower y otros miembros del laboratorio de Kathy Niakan es un ejemplo importante tanto de cómo debe llevarse a cabo la investigación como del descubrimiento de nuevos conocimientos sobre la primera semana, más o menos, de nuestros orígenes. Se centraron en un gen llamado NANOG, del que se sabe, gracias a estudios realizados en ratones, que desempeña un papel importante tanto en el epiblasto temprano —un grupo de células que dará lugar al embrión propiamente dicho— como en el saco vitelino, que es uno de los tejidos extraembrionarios que, junto con la placenta, sustenta al primero. La forma más directa de estudiar el papel de un gen específico es inactivarlo, y los métodos basados en el uso de CRISPR/Cas9 ofrecen una forma directa y eficaz de hacerlo. Sin embargo, los métodos CRISPR estándar que crean roturas de doble cadena en el ADN dependen de mecanismos celulares de reparación del ADN que, con demasiada frecuencia, provocan daños cromosómicos, tal y como han demostrado anteriormente el laboratorio de Niakan y otros investigadores. Esto puede dificultar la obtención de conclusiones firmes y suponer un desperdicio de valiosos embriones humanos. Por ello, los autores optaron por utilizar la edición de bases, un método preciso para alterar nucleótidos individuales (letras del código). [Nota: no se trata del primer intento, pero se llevó a cabo con un alto grado de rigor y con resultados estadísticamente válidos.] Bower et al. demuestran que los métodos son precisos y eficaces en el contexto de los embriones humanos. 

Además, al introducir los componentes de edición de bases junto con el esperma durante la FIV (mediante inyección intracitoplasmática de espermatozoides), también evitan en gran medida el mosaicismo, en el que la edición se produce tras la primera división celular, de modo que solo una parte de las células presenta la modificación, lo que también puede complicar la interpretación de los resultados. En cuanto a la función de NANOG, han descubierto que es necesaria para el epiblasto y, por lo tanto, también es esencial para el desarrollo embrionario humano en una fase temprana, pero que es prescindible para el desarrollo del endodermo extraembrionario que da lugar al saco vitelino. Esto se suma a las pruebas de que los genes y los mecanismos que intervienen durante el desarrollo embrionario temprano del ratón y del ser humano pueden ser sustancialmente distintos, lo que hace que no sea adecuado basarse en exceso en los resultados obtenidos con el primero para comprender el segundo. 

Aunque se centra en el papel de NANOG en el embrión temprano, el trabajo sí guarda relación con el concepto de la edición genómica hereditaria, concretamente al demostrar que la edición de bases es muy eficiente, precisa (con una selección rigurosa de los ARN guía) y puede utilizarse de forma que reduzca las preocupaciones sobre el mosaicismo. Todos estos son parámetros que deben ser casi perfectos si alguna vez se quisieran utilizar estos métodos para crear bebés editados. 

Aún no se ha llegado a ese punto y, aunque así fuera, esto no debería intentarse sin una revisión y una supervisión adecuadamente sólidas, así como sin conocer el grado de aceptación pública y las condiciones necesarias; además, tendría que ser legal, lo cual no es el caso en la mayoría de las jurisdicciones.

Se trata de un estudio elegante y técnicamente ambicioso que aborda una cuestión fundamental de la biología del desarrollo humano: cómo se establecen en el embrión temprano las células que, en última instancia, formarán el feto. Los hallazgos son importantes, pero no deben sobreinterpretarse. 

El trabajo también muestra el potencial de la edición de bases como herramienta de investigación, pero no demuestra que la edición de embriones sea segura para su uso clínico. Del mismo modo, cualquier relevancia para la infertilidad, el fracaso de la implantación o la pérdida del embarazo sigue siendo hipotética. El valor inmediato del estudio es de carácter mecanístico, no clínico.

Se trata de una investigación bien diseñada y exhaustiva sobre el uso de la edición de bases como herramienta de investigación en embriones humanos. Kathy Niakan y su equipo se basan en su dilatada experiencia en células madre embrionarias humanas y embriología de ratón para llevar a cabo un control de calidad riguroso del mecanismo de edición de bases y evaluar su especificidad y capacidad para inactivar la función de NANOG. El equipo utilizó una combinación de los métodos de referencia para obtener la máxima información de cada embrión utilizado en el proyecto en su evaluación del papel de NANOG en el desarrollo embrionario. Los embriones editados se compararon con conjuntos de datos publicados anteriormente de embriones de control no editados para aumentar el tamaño de la muestra, lo que aporta mayor confianza en los resultados. Ya se han realizado algunos estudios que analizan el uso de la edición de bases en embriones humanos. Sin embargo, estos estudios tenían la limitación de que utilizaban en su mayoría embriones tripronucleares, que presentan anomalías tanto en el desarrollo como en el cromosoma. Por el contrario, este estudio utiliza embriones que sobran respecto a las necesidades clínicas, o generados a partir de gametos de donantes, pero que, por lo demás, presentan un desarrollo normal. 

A corto plazo, este estudio demuestra de forma elegante que la edición de bases es una herramienta para la investigación con embriones humanos, lo que nos permite investigar específicamente el papel de los genes implicados en el desarrollo. La reproducción humana es muy ineficiente: por razones que aún no se comprenden del todo, de cada 100 óvulos fecundados, unos 50 no llegan a la fase de blastocisto y, de estos, una proporción adicional no logra implantarse. Gracias a los avances en tecnologías genómicas, como la secuenciación de ARN y del genoma de células individuales (tal y como se ha utilizado en este artículo), junto con los modelos in vitro emergentes del desarrollo temprano y la implantación (dentro del límite legal de 14 días tras la fecundación), los investigadores disponen de oportunidades sin precedentes para investigar los mecanismos que rigen el desarrollo humano temprano. Este tipo de investigación de descubrimiento tiene el potencial de sentar las bases para futuros avances clínicos. 

Los autores dejan claro que se necesita más investigación antes de que la edición de bases pueda utilizarse en un entorno clínico. También hacen hincapié en que, incluso si la aplicación clínica llegara a ser viable, existen importantes consideraciones éticas y normativas, y que la participación y el apoyo del público serán esenciales. En el futuro, la edición del genoma podría ofrecer a los pacientes una opción para evitar la transmisión de trastornos genéticos, especialmente en los casos en los que no sea posible producir embriones sanos para el cribado genético preimplantacional. 

En general, este artículo refuerza la posición del Reino Unido como líder mundial en investigación de descubrimiento, rigurosa tanto desde el punto de vista técnico como ético, que utiliza la edición del genoma para comprender las primeras etapas del desarrollo del embrión humano.