Voorkomen van de verspreiding van malaria en knokkelkoorts Met behulp van genetisch gemodificeerde muggen

Mijn naam is Anthony James. Ik heb een gedeelde aanstelling bij de afdelingen microbiologie en moleculaire biologie, en moleculaire biologie en biochemie hier aan de University of California Irvine. Mijn laboratorium werkt aan antwoorden op de eenvoudige vraag of genetica wel of niet kan bijdragen aan de beheersing van door vectoren overgedragen ziekten.

In ons specifieke geval zijn we geïnteresseerd in door muggen overgedragen ziekten, zoals malaria en denguekoorts. Malaria is de grootste vectoroverdraagbare ziekte wat betreft menselijke mortaliteit, waarbij gemiddeld over een jaar elke 20 tot 30 seconden één persoon overlijdt. Het denguevirus is minder significant in termen van menselijke mortaliteit, maar vormt een groot probleem voor de volksgezondheid dat potentieel bijna de helft van de wereldbevolking treft, met ongeveer 50.000 tot 100.000 gevallen per jaar.

In tropische gebieden zijn de huidige benaderingen voor de bestrijding van door vectoren overdraagbare ziekten, in het bijzonder malaria en denguevirussen, gericht op de beheersing van de vector door het gebruik van insecticiden of de vermindering van larvale en reproductieve habitats. In het geval van malaria wordt gebruikgemaakt van therapeutische en profylactische geneesmiddelen en beheersmaatregelen die voorkomen dat mensen in contact komen met muggen. Dat omvat het gebruik van klamboeën en andere persoonlijke beschermingsmaatregelen die voorkomen dat muggen toegang krijgen tot mensen.

Zo stellen we de vraag, zoals ik reeds aangaf, of de genetica iets kan bijdragen, en er zijn twee gebieden waarop we de genetica overwegen. Ten eerste het ontwikkelen van genetische technieken om populaties muggen te reduceren. Dit wordt populatiereductie genoemd.

Het tweede gebied is populatievervanging. Hierbij is het idee om genen die resistentie tegen specifieke pathogenen verlenen te nemen en deze op somehow een hoge frequentie in populaties te krijgen. We noemen dit populatievervanging.

Er waren twee interessante observaties die ons deden vermoeden dat genetica een rol speelt bij de beheersing van door vectoren overdraagbare ziekten. Ten eerste, wanneer men naar alle insecten of arthropoden kijkt, inclusief teken die zich voeden met bloed, ontdekt men dat niet elke bloedzuigende arthropode elke ziekte overdraagt. Dit suggereert dat er bepaalde gastheerrestricties zijn voor deze pathogenen, en dat blijkt inderdaad waar te zijn.

En wanneer u nadenkt over gastheerrestricties, komt u uit bij de genetica. De tweede observatie was dat wanneer u kijkt naar een insectenpopulatie waarin transmissie via zeer eenvoudige technieken plaatsvindt, u binnen die groep insecten een populatie kunt selecteren die zeer vatbaar is en een populatie die zeer refractair is. Nadat u dat heeft gedaan, kunt u eenvoudige genetische kruisingen uitvoeren om vragen te beantwoorden over hoeveel genen er bij betrokken zijn en of er sprake is van eenvoudige dominante of recessieve relaties.

Op basis van deze observaties hadden we een zeer duidelijke indicatie dat genetica belangrijk was voor het vermogen van een specifieke muggensoort om de ontwikkeling van een specifiek pathogeen te ondersteunen. Het idee was: zou het niet geweldig zijn als we die genen die resistentie verlenen op somehow konden verspreiden over alle populaties? De voordelen hiervan zouden zijn dat we specifiek het betreffende pathogeen zouden aanpakken en het gebruik van zaken als insecticiden, die een grote impact hebben op niet-doelorganismen, of milieubeheer om broedplaatsen te verminderen, wat een diepgaand effect op het milieu kan hebben, zouden vermijden.

En in tegenstelling tot het gebruik van insecticiden en profylactische geneesmiddelen, verwachten we niet dat deze muggen, of de parasieten die in de muggen worden gekweekt, ooit een vorm van resistentie daartegen zullen ontwikkelen. Het idee is dus om een strategie te ontwikkelen waarbij men beschikt over een volledig ziekteresistente mug, zonder zich zorgen te hoeven maken over effecten op niet-doelorganismen. Toen we keken naar natuurlijk voorkomende resistentie, was de aantrekkelijke benadering om te onderzoeken of we enkele van deze natuurlijke genen konden verkrijgen en hun frequentie in populaties konden verhogen, zodat we vervolgens een ziekteresistente populatie zouden hebben.

Maar het bleek, althans in de begindagen, zeer moeilijk om fysiek toegang te krijgen tot deze genen. Daarom kozen onze groep en een aantal anderen voor een volledig synthetische aanpak, waarbij het idee was om in essentie een gen te bouwen dat refractoiriteit kon verlenen. Onder deze omstandigheden hebben we het gen onderverdeeld in twee eenvoudige componenten: een controleregeling die aangeeft wanneer, waar en hoeveel van een bepaalde stof moet worden aangemaakt.

Vervolgens is er een infectie-effectorgedeelte, wat het feitelijke product is dat door dat gen is gemaakt en dat resistentie kan verlenen. Bij onze analyse van hoe we deze genen zouden opbouwen, hebben we daarom besloten dat het belangrijk en verstandig zou zijn als de controlegedeeltes het effectormolecuul daadwerkelijk in dat deel van de mug zouden plaatsen waar de parasieten zich bevonden. We waren dus op zoek naar ontwikkelingsgestuurde genen waarmee we iets op de juiste plaats konden positioneren.

En dat iets is opnieuw het effector-molecuul; dat is het eigenlijke deel van het molecuul dat door het gen wordt aangemaakt en dat direct interfereert met ofwel de malariaparasieten of de virussen. Voor het werk aan malaria hebben we zogenaamde single-chain antilichamen ontwikkeld die de binding aan parasieten verstoren en hun vermogen om muggenweefsels binnen te dringen belemmeren. Voor de denguevirussen hebben we een zogenaamde RNAi-strategie ontwikkeld, die gebruikmaakt van de cellulaire eigenschappen van de mug om de virussen af te breken wanneer zij proberen zich in de mug te repliceren.

Toen we voor het eerst overweegden om deze synthetische genen te maken, hebben we het probleem opgesplitst in verschillende componenten. Het eerste onderdeel was om in het laboratorium aan te tonen dat we een muskiet die normaal gesproken een pathogeen zou overdragen, konden omvormen tot een muskiet die dat niet kon. En om dat te bereiken, zoals ik eerder al suggereerde, hadden we controlesequenties nodig die het effector-molecuul zouden tot expressie brengen; we moesten in staat zijn om een effector-molecuul te maken, en vervolgens hadden we technologie nodig, transgenese-technologie, waarmee we dit kunstmatige gen in de muskiet konden plaatsen.

En dus hebben we ons de afgelopen tien jaar ongeveer hiermee beziggehouden; ik ben hier zelf zeer in geïnteresseerd, evenals mijn collega's, en we hebben op dat gebied behoorlijke vorderingen gemaakt. Nadat we deze muggen echter in het laboratorium hadden ontwikkeld, hadden we een mechanisme nodig om dat gen vanuit het laboratorium naar het veld te brengen. En we hadden een proces nodig waardoor de frequentie van dit gen in de populatie kon toenemen op een manier die verder ging dan de toenames die men bij natuurlijke selectie zou zien.

Dergelijke mechanismen worden genedrive-systemen genoemd. Wat deze systemen doen, is selecteren op insecten die het gen van belang dragen. Ze hebben een aantal eigenschappen, maar de twee belangrijkste eigenschappen zijn dat ze betrokken zijn bij, of voortkomen uit, de paring, en dat ze de genfrequentie verhogen met een snelheid die veel hoger is dan men op basis van natuurlijke selectie voor een bepaald selectieve voordeel van dat gen zou verwachten. Toen we nadachten over de ontwikkeling van deze genedrive-systemen, realiseerden we ons onmiddellijk dat we het hadden over de introductie van genetisch gemodificeerde organismen in de open omgeving. En niet verrassend genoeg waren er aanzienlijke zorgen en angsten verbonden aan het vrijlaten van genetisch gemodificeerd materiaal in de natuur.

Het was voor ons belangrijk om vast te stellen welke significante zorgen verbonden zijn aan het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen, om deze vervolgens te koppelen aan de wetenschappelijke kennis die we hebben in een poging de problemen die gepaard gaan met hun gebruik te verminderen. Daarom hebben we ontwikkeld wat we ontwerpcriteria noemen; deze houden naast de biologische aard van de organismen die we in het laboratorium ontwikkelen rekening met criteria die verbonden zijn aan sociologische, culturele en andere zorgen die mensen zouden kunnen hebben. Dit zijn dan ook de ontwerpcriteria geworden.

Drie daarvan waar ik hier kort over zal spreken, overlappen elkaar op deze gebieden. Ten eerste moet elk gene drive-systeem dat we ontwikkelen functioneren binnen wat men een menselijk tijdsbestek zou noemen, en niet binnen een evolutionair tijdsbestek. Dit betekent dat het systeem een gen snel genoeg moet verspreiden, zodat we daadwerkelijk kunnen waarnemen dat er als gevolg daarvan iets gebeurt.

En we denken hierbij aan een periode van bijvoorbeeld vijf tot 10 jaar. Dit was een idee dat oorspronkelijk werd ontwikkeld door Nora pki, die erkende dat we over een periode van 10.000 jaar wel iets zouden kunnen bereiken, maar dat het gene drive-systeem waar we het over hebben binnen een veel menselijker tijdsbestek moest werken. De tweede en waarschijnlijk grootste zorg en het belangrijkste criterium is dat alles wat we ontwikkelen uitsluitend werkt op het doelorganisme; dat wil zeggen, dat het geen vermogen heeft of wordt uitgeschakeld als het daadwerkelijk buiten ons doelinsect terechtkomt.

Dit is belangrijk omdat de meeste mensen zich zorgen maken dat men iets in het laboratorium maakt dat daar prima functioneert, maar dat het vervolgens in de natuur terechtkomt en zich op een bepaalde manier verspreidt naar niet-doelsoorten. Een van onze belangrijkste ontwerpoverwegingen is daarom dat we iets bouwen dat alleen functioneert in de doelsoort en wordt uitgeschakeld als het op een of andere manier buiten de doelsoort terechtkomt. Het derde punt dat uiteraard vrij significant is, is dat het moet werken.

Functioneel zijn betekent meer dan alleen de wetenschap en de beperking tot soorten, zum voorbeeld. Het moet kosteneffectief zijn. Het moet iets zijn dat daadwerkelijk werkt binnen een redelijk kader, zodat het betaalbaar is om uit te voeren.

Dit zijn een aantal van de ontwerpcriteria die we hebben bekeken. Het zijn er niet allemaal. En ik stel me voor dat sommige van de criteria zullen veranderen naarmate we meer ervaring opdoen, maar ik vermoed dat deze drie hetzelfde zullen blijven.

Voordat dit hele concept en de praktijkvoering daadwerkelijk kunnen worden geïmplementeerd, moet er eerst een aantal zaken gebeuren. Om terug te komen op het idee dat het, allereerst, simpelweg moet werken: we moeten in het laboratorium kunnen aantonen dat de insecten die we ontwikkelen ook daadwerkelijk resistent zijn tegen de pathogenen waarop we ons richten.

Vervolgens moeten we kunnen aantonen dat het gene drive-mechanisme functioneert zoals we verwachten. Om dat te doen, zijn we van plan om kooiproeven uit te voeren, besloten kooiproeven, zodat er geen uitzetting in het veld plaatsvindt waardoor het gen in een endogene mug terechtkomt of afkomstig is van endogene muggen op de doellocatie, om vervolgens te vragen of het in staat is zich te verspreiden. Het zal voor ons dus belangrijk zijn om dit uit te voeren.

Ik denk echter dat het cruciaal is om te beseffen dat het niet een wetenschapper zoals ik is die zal aanbevelen om een veldstudie uit te voeren. Dit zal in feite het resultaat zijn van wiskundige modelleurs die, met gebruik van de parameters die zij ontwikkelen en die wij aanleveren, een instelling voor volksgezondheid een duidelijk beeld kunnen geven van het feit of wat wij hebben ontwikkeld daadwerkelijk op een kosteneffectieve manier zal werken. De aanbevelingen zullen dus eigenlijk komen van professionals in de volksgezondheid met expertise in modellering; zij zijn degene die kunnen bepalen of iets wel of niet doorgaat.

Wij voorzien niet dat laboratoriummedewerkers, zoals ikzelf, veel input zullen hebben buiten het verstrekken van de ruwe data aan de modelleurs, zodat zij deze kunnen gebruiken. Toen we met dit werk begonnen, keken we om ons heen — wanneer ik 'wij' zeg, bedoel ik dat mijn collega's en ik als een team aan dit project werken — naar bestaande structuren die ons in staat zouden stellen te evalueren wat we moesten doen met betrekking tot de ethische situatie rondom het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen. Hoewel er vrij veel data beschikbaar zijn voor agrarische toepassingen en het gebruik van planten, enzovoort, stond er in de gepubliceerde literatuur zeer weinig over het gebruik van genetisch gemodificeerde insecten.

Als onderdeel van ons hoofdproject moesten we daarom een component opnemen die inging op de ethische, sociale en juridische aspecten van het gebruik van genetisch gemodificeerde muggen. Als gevolg daarvan is er een enorme leercurve geweest om elk groepslid op de hoogte te brengen van wat er daadwerkelijk nodig is om dit te realiseren. Laat me u daarvan een paar voorbeelden geven.

De meeste landen ter wereld waar deze belangrijke ziekten voorkomen, beschikken niet over regelgevende structuren die kritische oordelen kunnen vellen over het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen. Daarom werd het voor ons uiterst belangrijk om landen te identificeren die over een adequate regelgevende infrastructuur beschikten, waarmee we konden overleggen en interactie konden hebben. De geschiedenis van een dergelijke situatie is dat landen vaak geconfronteerd werden met de introductie van een genetisch gemodificeerd organisme, opnieuw voornamelijk in landbouwkundig afgeleide producten, zoals genetisch gemodificeerde maïs, papaya's of rijst.

En een land dat niet over de regelgevende structuur beschikt om hiermee om te gaan, zou snel een wet aannemen die de introductie van alle genetisch gemodificeerde organismen zou verbieden. Als u dit vanuit een politiek oogpunt bekijkt, is dit een verstandige maatregel. Dat wil zeggen: als u niet bent voorbereid om ermee om te gaan, zet u het dan stop en geeft u uzelf de kans om de nodige structuur te ontwikkelen om het te analyseren en te beslissen of er in dit geval sprake is van een probleem.

Zodra dit gebeurt, voeren landen de juiste regelgevende structuur in, waarna ze de wetgeving aanpassen en genetisch gemodificeerde organismen ten minste ter beoordeling voorleggen en uiteindelijk wellicht toestaan voor gebruik. Met het oog op ons werk konden we geen land kiezen waar wij de aanleiding zouden vormen voor de ontwikkeling van hun regelgevende infrastructuur. We moesten landen vinden die dit proces al hadden doorlopen en waar al een robuust regelgevend systeem bestond.

De reden waarom we dat wilden doen, is dat we eigenlijk niet de tijd zouden hebben om opnieuw de neerslaggevende gebeurtenis te zijn. Dat gezegd hebbende, wilden we ons ook bevinden in een land met een zeer goed verticaal geïntegreerd systeem voor de publieke gezondheidszorg, wat betekent dat we zorgen zouden aanpakken zowel op lokaal niveau als via de grotere gemeentelijke, provinciale, staat- of federale equivalenten in de regelgevende structuur. We wilden ervoor zorgen dat beslissingen die werden genomen om bijvoorbeeld door te gaan, op elk niveau werden gevalideerd.

Het was niet iets dat de centrale overheid of de federale overheid zou opleggen aan een lokale overheid. We wilden dat het iets was waar iedereen mee akkoord ging. Daarom moesten we in een situatie komen waarin er een zeer goed geïntegreerd verticaal systeem voor de volksgezondheid aanwezig was.

Vervolgens behandelen we kwesties, bijvoorbeeld over wat het betekent om toestemming van de gemeenschap te hebben. Hoe definieer je een gemeenschap? Wij definiëren de gemeenschap op dit punt als alle mensen die direct worden beïnvloed, of potentieel beïnvloed kunnen worden, door het werk dat wij uitvoeren.

Maar die wending blijkt niet triviaal te zijn; om te definiëren onder welke omstandigheden men streeft naar instemming van de gemeenschap, wat betekent het dan om daadwerkelijk die instemming van de gemeenschap te hebben? Is één negatieve stem voldoende om het stop te zetten? Dat zijn, zoals u weet, zaken die uitgewerkt moeten worden.

Dit zijn enkele van de ethische kwesties waar we mee worden geconfronteerd. Een van onze belangrijkste inspanningen in dit werk is echter om ervoor te zorgen dat we vanaf het begin volledige participatie hebben van de mensen op de veldlocatie in onze beraadslagingen en inspanningen. Om dit te realiseren hebben we bijvoorbeeld een website die voor iedereen toegankelijk is, en we zorgen voor volledige participatie van onze potentiële laboratoria, de samenwerkende laboratoria, met mensen op de veldlocatie, zodat zij deel uitmaken van zowel het planningsproces als het implementatieproces.