cellen uit verschillende weefsels communiceren op allerlei manieren met elkaar, en dat geldt net zo goed voor cellen binnen eenzelfde weefsel. recent is gebleken dat die communicatie ook gebeurt aan de hand van de secretie van blaasjes. er gebeurt steeds meer onderzoek naar hoe cellen elkaar precies ‘blaasjes wijsmaken’. de mogelijke implicaties voor diagnose en behandeling, in diverse medische domeinen, lijken dan ook aanzienlijk.

Communicatie van cel tot cel via extracellulaire vesikels: Boodschappen in een geadresseerde omslag

Guido David en Pascale Zimmermann

Een organisme dat uit meer dan één cel bestaat, moet niet alleen met de omgeving maar ook intern communiceren. Dat is noodzakelijk om taakafspraken en samenwerking mogelijk te maken tussen verschillende cellen binnen één weefsel en zelfs tussen cellen in verschillende weefsels. Die communicatie gebeurt op vele manieren. Veelal verloopt ze via klassieke ligand-receptorinteracties, waarbij de ene cel een ‘ligand’ vrijzet, die bindt aan een receptor op een andere cel. Vaak zijn die liganden gesecreteerde eiwitten zoals hormonen, die dan op afstand het gedrag, de groei en de functies van andere cellen aansturen. Zo kan bijvoorbeeld een geslachtshormoon, afgescheiden door een eierstok, de groei en functie van een borstkliercel op afstand beïnvloeden. Soms, zoals in het geval van de ‘Notch’-receptoren, die heel belangrijk zijn voor het ontstaan van diversiteit binnen celpopulaties, is de ligand een membraaneiwit. Zowel ligand als receptor zitten dan vast in de membraan van cellen en er moet dus nauw cel-tot-celcontact worden gemaakt tussen de cel met de ligand en de cel met de receptor om te kunnen communiceren. Recent is gebleken dat cellen ook communiceren via de secretie van blaasjes. De inhoud van die blaasjes of vesikels weerspiegelt min of meer de staat van de ‘afzender’ en de processen die zich hierin afspelen. Op hun beurt kunnen de blaasjes en hun inhoud ontvangende cellen soms diep beïnvloeden. Onderzoek naar hoe cellen ‘elkaar blaasjes wijsmaken’ is momenteel modieus, zo niet mainstream. De mogelijke implicaties voor diagnose en behandeling lijken dan ook verreikend in verschillende medische domeinen zoals kanker en regeneratieve geneeskunde.

De extracellulaire vesikels (EV’s) zijn omgeven door een membraan, waarin membraaneiwitten verankerd liggen, en bevatten cytosolische eiwitten (eiwitten die normaal in het celvocht zitten) en RNA (een afschrift van het DNA dat in de celkern opgeslagen ligt en al onze erfelijke informatie bevat). Cellen kunnen meerdere types EV’s vormen. Sommige EV’s ontstaan aan het celoppervlak, via directe uitstulping en afsplitsing van de plasmamembraan. Die EV’s hebben wisselende afmetingen (variërend van 100 nanometer tot 1 micron in diameter) en staan doorgaans bekend als ‘microvesikels’. Andere EV’s worden binnenin de cel gevormd. In dat geval treedt de uitstulping op ter hoogte van het endosomaal systeem. Het endosomaal systeem is een geheel van celcompartimenten, omgeven door membranen. Het kan het best worden vergeleken met een productielijn waarin eiwitten aangemaakt of gerecycleerd worden en verpakt (in membranen) voor de export. Bij de productie van EV’s in het endosomale systeem raakt het opgevuld met vesikels. Die kunnen dan worden uitgespuwd zodat de vesikels in de celomgeving vrijkomen. Naar die vrijgekomen vesikels wordt verwezen met de term ‘exosomen’. Exosomen zijn heel kleine vesikeltjes (diameter van maximaal 150 nanometer) en bevatten tal van componenten die endosoom-eigen zijn, wat meteen hun oorsprong verraadt. De vorming van deze EV’s heeft veel gemeen met de wijze waarop sommige virussen – bijvoorbeeld het hiv-1-virus dat aids veroorzaakt – afgewerkt, verpakt en uit de geïnfecteerde cel uitgespuwd worden. Ook de mechanismen die leiden tot de vorming van EV’s en virussen zijn minstens voor een deel gelijklopend. Alle EV’s bevatten – net als virussen – ook oppervlakgebonden moleculen die hen toelaten te binden aan doelwitcellen. Eens gebonden aan de ontvangende cel kunnen EV’s een signaal uitlokken via ligand-receptorinteracties, of worden opgeslokt, waarna hun inhoud vrijkomt in het celvocht van de ontvangende cel. Als gevolg hiervan kan die cel soms ingrijpend veranderen. Ook dit laatste aspect van de levenscyclus en de impact van EV’s toont heel wat gelijkenis met de manier waarop sommige virussen een cel besmetten en hun inhoud overdragen. EV’s worden daarom soms wel eens ‘lichaamseigen virussen’ genoemd.

Vandaag bestaat er heel wat evidentie dat extracellulaire vesikels belangrijk zijn voor meerdere biologische processen, zoals de progressie van kanker, de biologie van stamcellen en de opbouw van een immuunrespons

Oorspronkelijk werd het bestaan van EV’s en hun relevantie met enige scepsis bekeken. EV’s werden beschouwd als bijproducten (afval) of zelfs als artefacten van cel- en celmembraan-bereidingsprocedures, zonder enige fysiologische betekenis. Vandaag bestaat er echter heel wat evidentie, van eerder overtuigende zo niet dwingende aard, dat EV’s belangrijk zijn voor meerdere biologische processen, zoals de progressie van kanker, de biologie van stamcellen en de opbouw van een immuunrespons.

EV’s kunnen de uitzaaiing van kankercellen in de hand werken. In vergelijking met normale cellen maken tumorcellen vaak heel veel EV’s aan. Tumor-EV’s kunnen rechtstreeks op de tumorcel zelf inwerken en stimuleren hierbij vaak de beweeglijkheid en invasiviteit van de cel. Enzymen die in het membraan van EV’s vervat zijn, breken het omliggende bindweefsel af en verhogen zo de invasiviteit van tumorcellen. Tumor-EV’s kunnen bovendien omringende en zelfs verafgelegen niet-tumorale cellen beïnvloeden. EV’s kunnen de doorlaatbaarheid van de vaatwand verhogen en kunnen zo in afgelegen organen de bloedvaten voorbereiden, waardoor de uitzaaiing en ingroei van kankercellen in die organen in de hand gewerkt worden. EV’s van melanomacellen (een huidkanker) kunnen bijvoorbeeld de migratie van beenmergstamcellen naar toekomstige plaatsen van metastase uitlokken. Die stamcellen gaan dan de voorlopers vormen van de cellen die uiteindelijk tumorondersteunende bloedvaten zullen aanmaken. EV’s afkomstig van pancreaskankercellen zaaien zelf uit naar afgelegen organen en lokken daar de vorming uit van een omgeving die rijk is aan groeifactoren en ontstekingscellen, waardoor tumorcellen er goed gaan gedijen. Hoogst merkwaardig daarbij is dat EV’s gericht verstuurd kunnen worden, met een soort ‘adres’ erop. EV’s die het adres integrine alphaVbeta5 dragen binden aan Kuppfercellen van de lever en leiden tot uitzaaiing naar de lever, terwijl EV’s die het integrine alpha6beta1 bevatten naar de longen reizen. Wijzigingen uitgelokt door de EV’s in die afgelegen organen trekken dan uitzaaiende tumorcellen aan.

Hoogst merkwaardig is dat extracellulaire vesikels gericht verstuurd kunnen worden, met een soort ‘adres’ erop

Die notie heeft zelfs geleid tot een merkwaardige toepassing in de muis, waarbij artificiële niches, opgebouwd uit een driedimensionale matrix waarin tumor-EV’s zijn ingebed, in de buikholte werden ingeplant. Dergelijke niches konden tumorcellen afleiden, zodat uitzaaiende tumorcellen ‘afgevangen’ werden en dus geen schade konden veroorzaken in de organen waar ze normaal zouden uitzaaien. Dit had tot gevolg dat de proefdieren met deze tumoren langer bleven leven. Hoe aantrekkelijk dit ook moge lijken, toch moet worden benadrukt dat het belang van behandelingen die ingrijpen op EV’s tot nog toe niet werd aangetoond in een relevante context. In bovenvermelde studies werden de dieren vaak herhaaldelijk ingespoten met massale hoeveelheden EV’s, opgezuiverd uit celculturen. Of de vastgestelde effecten in de echte wereld relevant zijn, is niet helemaal duidelijk.

Veel van wat nu gekend is over het ontstaan en de biologische functies van EV’s stamt uit onderzoek met kankers en kankercellen. Nu het echter duidelijk is geworden dat de meeste types van niet-kankercellen ook EV’s kunnen vormen, wordt stilaan ook meer aandacht geschonken aan de mogelijk bredere rol van EV’s. Dit wordt wellicht het best geïllustreerd door recente bevindingen met stamcellen. Die kunnen nog vele kanten uit: ze kunnen bijvoorbeeld nog hart-, lever- of hersencellen worden, een eigenschap die verloren gaat eens de cel een specifieke richting heeft gekozen. Mesenchymale stamcellen (MSC’s) vormen één type van stamcellen die in het volwassen organisme voorkomen, bijvoorbeeld in het beenmerg. MSC’s kunnen in het labo worden gekweekt, kunnen zichzelf vernieuwen (en behouden daarbij hun stamceleigenschappen) en kunnen worden aangezet om te specialiseren (differentiëren) in meerdere richtingen. Transplantaties van MSC’s, in pogingen om het herstel en de regeneratie van zieke organen in de hand te werken, worden dan ook intens onderzocht in de muis en zelfs in klinische studies bij mensen. In muizen met een hartinfarct leidt de inspuiting van MSC’s in het hart tot een significante verbetering van de hartfunctie na het infarct. In zekere mate kan dit worden toegeschreven aan de differentiatie van sommige MSC’s tot hartspiercellen, zodat ze helpen bij de vorming van nieuw hartspierweefsel. De grootste bijdrage van de transplantatie van MSC’s lijkt er echter in te bestaan dat die cellen factoren secreteren. Die factoren helpen blijkbaar de leefbaarheid van de beschadigde cellen in stand te houden, laten ze toe te herstellen en laten gezonde cellen delen. In feite volstaat het om hartspiercellen die blootgesteld werden aan zuurstoftekort – een hartinfarct dus – te behandelen met EV’s, die geproduceerd zijn door MSC’s in cultuurflessen in het labo.

Ook embryonale stamcellen (ESC’s) kunnen EV’s met bijzondere eigenschappen vrijzetten. De EV’s van ESC’s bevatten vele van de eiwitten en genetische informatie die belangrijk zijn om stamceleigenschappen in stand te houden. Dit suggereert dat ESC’s mogelijk via EV’s met andere ESC’s communiceren om hun stamceleigenschappen te bewaren. Mogelijk laat een dergelijk mechanisme zelfs toe adulte gedifferentieerde cellen, althans tijdelijk en zonder genetische manipulatie, om te zetten in pluripotente cellen (geïnduceerde pluripotente stamcellen, iPS-cellen) die kunnen worden ingezet in de regeneratieve geneeskunde. Verder onderzoek moet dit nog uitwijzen. Ook vermeldenswaard is dat EV’s, vrijgezet door de spieren, in verband worden gebracht met de gunstige invloed van fysieke training op obesitas en ouderdomsdiabetes. Ook beschavingsziekten als overgewicht en diabetes vallen dus mogelijk binnen het bereik van EV’s en EV-therapie.

Ook beschavingsziekten als overgewicht en diabetes vallen mogelijk binnen het bereik van EV’s en EV-therapie

Een van de meest voor de hand liggende manieren waarop EV’s zouden kunnen bijdragen aan bovenstaande processen is via de transfer van hun inhoud naar andere cellen. Dit werd voor het eerst duidelijk gemaakt in twee cruciale studies. In de eerste studie werd aangetoond dat glioblastomacellen, een zeer kwaadaardige vorm van hersenkanker met slechte prognose, EV’s aanmaken die gevuld zijn met genetische informatie die de celgroei bevordert. Wanneer EV’s afkomstig van deze cellen aan andere glioblastomacellen werden toegediend, gingen die cellen ook effectief sneller groeien. De EV’s van kankercellen bevatten eiwitten en genetische informatie die naar andere kankercellen kunnen worden overgedragen en daar de celgroei aansturen. In de context van een reële primaire tumor, die meestal uit veel verschillende celtypes bestaat, rijst daarmee het vermoeden dat EV’s het kwaadaardige gedrag naar alle types van cellen in de tumor kunnen overdragen. Zelfs de normale omgevende cellen die rond de tumor zitten, zouden kunnen worden meegesleurd in de kringloop van ongecontroleerde celgroei. Maar is dit realiteit, of slechts perceptie? Gebeurt er werkelijk overdracht en hergebruik van inhoud, of worden gelijkaardige programma’s op een of andere manier, maar niet door materiaaloverdracht, aangeschakeld? Gaan dergelijke schema’s bovendien ook op in levende organismen, of zitten we te kijken op een artefact dat alleen in het lab bestaat? Om die vragen te kunnen beantwoorden hebben enkele onderzoeksgroepen elegante experimenten bedacht waarbij geen ex-vivomanipulaties van EV’s meer betrokken waren. Die experimenten lijken te suggereren dat het hier inderdaad om een reëel fenomeen gaat, waarmee tumorcellen hun kwaadaardige gedrag kunnen laten uitbreiden naar de omliggende cellen.

De communicatie tussen cellen, via blaasjes met postadres en met inhoud, opent een heel nieuw hoofdstuk in de medische wetenschap. Behandelingen en toepassingen, gebaseerd op de inzichten in de functies van EV’s in kanker- en stamcelbiologie, in ziekte en gezondheid, komen eraan, ondanks de moeizame start van dit onderzoeksdomein.

Mercedes Tkach & Clotilde Théry, ‘Communication by Extracellular Vesicles: Where We Are and Where We Need to Go’ In: Cell, 2016, 164(6),1226-32. doi:10.1016/j.cell.2016.01.043. Review. PubMed PMID: 26967288.

Laura M. Desrochers, Marc A. Antonyak & Richard A. Cerione, ‘Extracellular Vesicles: Satellites of Information Transfer in Cancer and Stem Cell Biology’ In: Developmental Cell, 2016, 37(4), 301-309. doi: 10.1016/j.devcel.2016.04.019. Review. PubMed PMID: 27219060; PubMed Central PMCID: PMC4995598.

Joanna Fares, Pascale Zimmermann & Rudra Kahyap, ‘Syntenin: Key player in cancer exosome biogenesis and uptake?’ In: Cell Adhesion & Migration, 2016, (11)2, Sep 2:1-3. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 27589080.

Guido David en Pascale Zimmermann zijn verbonden aan de KU Leuven en het Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille.