door recente doorbraken in de stamceltechnologie kunnen onderzoekers bepaalde lichaamscellen aanmaken in een cultuurschaaltje. die gekweekte cellen hadden al een enorme invloed op het bestuderen van ziektes en het evalueren van nieuwe geneesmiddelen. de volgende stap is om ze te combineren tot een functioneel menselijk orgaan. de hoop is dat deze zelfgegenereerde mini-organen de menselijke fysiologie nog dichter benaderen en zo een ideaal testsysteem vormen voor onderzoekers en de farmaceutische industrie.
Organen van eigen kweek
De laatste jaren kunnen we de onderliggende oorzaak van tal van ziekten steeds beter begrijpen. Door onderzoek met nieuwe moleculaire technieken kunnen we ziektebeelden zoals kanker, orgaanfalen of erfelijke ziekten herleiden tot defecten in specifieke celtypes en mutaties in het DNA. Symptomen kunnen worden gedefinieerd door de ontregeling van één of meer van de programma’s die actief zijn in een cel, en de oorzaak van een ziekte kan worden toegeschreven aan een groep verwante proteïnen. Ook kunnen we steeds beter de werking van één enkele cel beïnvloeden, door het ontwikkelen van kleine moleculen die direct interageren met proteïnen. Ondanks deze diepgaande kennis slagen we er vreemd genoeg steeds minder goed in om nieuwe geneesmiddelen voor de behandeling van patiënten te ontwikkelen. De voornaamste oorzaak hiervan is het totale gebrek aan testmodellen om de (neven)effecten van geneesmiddelen te testen. De hoop is dat recente ontwikkelingen in de stamcelbiologie en weefseltechnologie ons de mogelijkheden zullen bieden om het effect van een chemische stof op het menselijk lichaam te kunnen voorspellen.
De ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen steunt op een lang en zeer strikt proces van onderzoek en risicoanalyse. Een probleem is dat vele geneesmiddelen ook neveneffecten hebben. Een groot deel van de medicatie die in het labo wordt gegenereerd, wordt tijdens dure klinische studies afgekeurd omdat ze schadelijk zijn voor de lever of omdat ze leiden tot problemen met hart en bloedvaten. Het is daarom niet alleen belangrijk een relevant testsysteem te genereren, maar ook om het effect van medicatie op en de interactie met de verschillende organen te modeleren. Spijtig genoeg is het gebruik van proefdieren, vaak knaagdieren, de enige manier om dit te doen.
Systemen die gebruikmaken van proefdieren zijn niet optimaal, en dit om meerdere redenen. Allereerst roept het gebruik van proefdieren ethische vragen op. Uiteraard is het belangrijk dat neveneffecten van een nieuw geneesmiddel uitvoerig in kaart gebracht worden voor een product op de markt wordt gebracht. Toch moet men voor elke component die getest moet worden, steeds de afweging maken tussen het potentieel van het geneesmiddel en het gebruik van de proefdieren. Een tweede nadeel is dat proefdieren in realiteit geen goede representatie zijn van de menselijke fysiologie. Ongeveer de helft van alle nieuwe chemische entiteiten die veilig worden bevonden in dierproeven, vertonen ernstige bijwerkingen in opvolgstudies bij mensen. Het is duidelijk dat risicoanalyse gebaseerd op dierlijke toxicologie zeer inefficiënt is. Bovendien kan men zulke screenings op toxiciteit nooit op grote schaal uitvoeren: studies met honderden proefdieren zijn onbetaalbaar en ook onverantwoord. Om al die redenen kost het testen van één enkele nieuwe verbinding miljoenen euro’s en jaren van onderzoek. De farmaceutische industrie zal de voortdurend uitbreidende inzichten uit onderzoek alleen kunnen omzetten in therapieën en medicatie als ze erin slaagt om de goede en slechte verbindingen op een veel vroeger tijdstip in de medicatieontwikkeling te identificeren.
Pluripotente stamcellen kunnen onbeperkt delen en bezitten de capaciteit om alle verschillende celtypes te vormen, zoals spiercellen, levercellen en zenuwcellen
Een eerste stap in de ontwikkeling van een meer ‘menselijk’ testsysteem werd enkele jaren geleden gezet door doorbraken in de stamceltechnologie. Stamcel is een breed begrip, dat twee grote groepen omvat, namelijk pluripotente en adulte stamcellen. Pluripotente stamcellen zijn de meest veelzijdige stamcellen. Ze kunnen onbeperkt delen en bezitten de capaciteit om alle verschillende celtypes te vormen, zoals spiercellen, levercellen en zenuwcellen. Ze zijn bijzonder nuttig omdat ze, afhankelijk van de gegeven signalen, kunnen veranderen in elk type cel dat men maar wil maken. Binnen deze groep van pluripotente stamcellen kunnen we nog een onderscheid maken tussen embryonale en geïnduceerd pluripotente stamcellen. Het gebruik van embryonale stamcellen roept een aantal ethische vragen op, omdat bij het genereren van die cellen embryo’s moeten worden opgeofferd. Een doorbraak kwam er echter in 2006 en 2007, toen de Japanse onderzoeker Shinya Yamanaka erin slaagde om volwassen cellen, zoals huidcellen, te herprogrammeren tot een cel met pluripotentie, een cel die dus de macht heeft teruggewonnen om alle andere cellen te maken. Het gebruik van deze tweede soort pluripotente stamcellen heeft niet alleen het voordeel dat er geen embryo’s moeten worden opgeofferd, men kan op deze manier ook cellen maken van een groot aantal verschillende mensen, die elk op een andere manier zullen reageren op medicatie en therapie. Op deze manier kan men een beter beeld krijgen van het effect van medicatie op verschillende groepen in de bevolking. Als laatste kan men adulte stamcellen gebruiken. Die zijn beperkter in hun specialisatiecapaciteit, maar hebben hun helend nut al eerder bewezen. Zo worden hematopoëtische of bloedvormende stamcellen vaak succesvol getransplanteerd bij patiënten met leukemie, of worden stamcellen uit het beenmerg gebruikt om het immuunstelsel te temperen. Pluripotente en adulte stamcellen hebben elk hun eigen voordelen en tekortkomingen. Afhankelijk van de beoogde toepassing is het belangrijk het meest ideale celtype te kiezen, en beide worden al gebruikt om menselijke cellen in het labo aan te maken.
De differentiatie- of specialisatiecapaciteit van stamcellen is een uitstekend middel om de menselijke embryonale ontwikkeling in een kweek- of cultuurschaaltje in het labo te simuleren. Allereerst heeft de stamceltechnologie al een groot nut gehad in het bestuderen van tal van ziekten. Voor de meeste ziekten, en zeker voor neurodegeneratieve ziekten, is het zeer moeilijk om biopsiestalen te nemen of het ziektebeeld in het labo na te maken. Stamcellen bieden ons nu de mogelijkheid om bijvoorbeeld ‘zieke’ zenuwcellen te maken uit geïnduceerde stamcellen die werden aangemaakt van huidweefsel van patiënten. Door de ziekte in een cultuurschaaltje te simuleren heeft men een perfecte ‘proefpersoon’ voor het testen van geneesmiddelen. Hier wordt een ziektebeeld echter herleid tot een defect in één enkel celtype: bijvoorbeeld, aangezien dementie een vernietiging van de zenuwcellen is, proberen we deze cellen in het labo te laten groeien en te genezen. De cellen van ons lichaam werken echter absoluut niet afzonderlijk. Ze zijn georganiseerd in ingewikkelde structuren en organen, bestaande uit vele celtypes die elkaar intens beïnvloeden. Een ideaal testsysteem zou deze interacties moeten weergeven en zo de reactie van een orgaan op medicatie modelleren in plaats van de reactie van cellen.
Een ideaal testsysteem zou de interacties tussen de celtypes moeten weergeven en zo de reactie van een orgaan op medicatie modelleren in plaats van de reactie van cellen
De kweek van huidcellen, hartcellen en levercellen laat ons nu al toe om farmacologische compounds te testen op systemen die fysiologisch relevanter zijn en die dichter staan bij de reële situatie. Maar zoals eerder vermeld maakt een hoopje cellen nog geen orgaan, een orgaan is namelijk opgebouwd als een huis en bestaat uit bouwstenen die in een zeer specifieke structuur georganiseerd zijn. Organen zoals de lever, de longen en de huid bestaan uit een ingewikkelde structuur van meerdere celtypes die intensief interageren en elkaar beïnvloeden. De lever is bijvoorbeeld opgebouwd als een gelobd netwerk van bloedvaten die omringd worden door bloedvatcellen, levercellen, immuuncellen en ondersteunende cellen. Al die celstructuren zijn georganiseerd en opgehangen aan een fundering, een stevig fundament aangemaakt door de ondersteunende cellen. Een hoopje levercellen zal alleen functioneel zijn als de cellen georganiseerd zijn in deze specifieke gelobde structuur. Medicatie of toxische stoffen moeten bijvoorbeeld eerst worden opgenomen en veranderd door de bloedvatcellen om vervolgens te worden doorgegeven aan de echte levercellen. Het genereren van de verschillende leverceltypes op zich lijkt dus onvoldoende om de leverfunctie te recapituleren.
Toch zijn enkele groepen nu al in staat om ervoor te zorgen dat deze gegenereerde cellen zich organiseren tot menselijke mini-organen. In het verleden zijn onderzoekers er al in geslaagd stamcellen te laten veranderen en zich te laten organiseren in iets dat lijkt op het oognetvlies en de hypofyse. Ook kan huidweefsel worden geïsoleerd en op speciale dragers aangroeien voor transplantatie of voor onderzoek. Verder heeft de Nederlandse onderzoeker Hans Clevers zich intussen gespecialiseerd in het maken van minidarmpjes uit geïsoleerde darmstamcellen. Deze stamcellen vormen onder de juiste condities spontaan een 3D-bol bestaande uit de verschillende celtypes van de darm. De ‘minidarm’ wordt nu gebruikt om ontstekings- of metabole ziektes te onderzoeken zonder invasieve biopsies of onderzoeken.
Al deze onderzoeken steunen op het potentieel van een voorlopercel, een neuronale cel of een darmcel, om het volledige orgaan te regenereren. De Japanse groep die er vorig jaar in slaagde om een mini-lever na te maken, ging echter nog een stap verder. In dit onderzoek werden namelijk levercellen, gegenereerd vanuit stamcellen, onder ideale omstandigheden gemengd met geïsoleerde bloedvaten en stamcellen vanuit het beenmerg. De onderzoekers ontdekten dat deze cellen het potentieel hadden om een orgaanstructuur aan te nemen: de cellen organiseerden zich in een hechte structuur die doorlopen was door bloedvaten. Deze mini-lever was dus geen spontane gerichte differentiatie van stamcellen: het ging echt om het opbouwen van een mini-orgaan vanuit de verschillende celtypes, volgens de structuur van de lever. Naast deze primeur is de generatie van een mini-lever ook revolutionair omdat levermetabolisatie en levertoxiciteit de grootste reden zijn om nieuwe medicatie af te keuren voor de markt. De lever beschermt het lichaam tegen toxische stoffen en vormt zo één van de eerste beschermers van het lichaam. Het modeleren van de leverfunctie is dus de eerste stap die moet worden genomen om de mogelijk toxische effecten van geneesmiddelen te kunnen voorspellen.
Door het samenbrengen van technologische en biologische inzichten probeert men nu ook organen op een microchip aan te maken die de situatie in vivo nabootsen
Een tweede recente strategie is het maken van organen op een chip. Door het samenbrengen van technologische en biologische inzichten probeert men nu ook organen op een microchip aan te maken die de situatie in vivo nabootsen, maar op een zeer kleine schaal. Op een chip kan men de menselijke cellen organiseren tot de bouwstenen van functionele organen, en zo bijvoorbeeld lever- of longfunctie modelleren. Het verschil met de spontaan gevormde darm- en neuronale structuren of de opgebouwde minilever is dat op een chip onderzoekers de cellen ook kunnen voorzien van een continue toevoer van lucht en voedingsstoffen. Men kan als het ware de bloedtoevoer nabootsen, net zoals dit in het lichaam zou gebeuren. De Amerikaanse onderzoeker Donald E. Ingber kwam in 2010 voor het eerst naar voren met een long op een chip. In deze long, die slechts een micro-omvang heeft, worden humane longcellen in kweek gebracht die via kleine kanaaltjes lucht en nutriënten toegevoerd krijgen. Door de stroom aan te passen kan men ziekteprocessen zoals infectie en ontsteking nabootsen en geneesmiddelen toedienen. Naast de long op een chip zijn ook andere organen in ontwikkeling, zoals hart, lever, nier, huid en darm. Hoewel voorlopig voornamelijk volwassen cellen worden gebruikt, zou men die kunnen vervangen door gespecialiseerde stamcellen als onuitputtelijke bron voor de generatie van alle menselijke cellen die we in ons lichaam hebben.
Men zou zelf zo ver kunnen gaan uiteindelijk alle verschillende organen, zoals lever, long, huid, nieren, hart en hersenen, te modelleren op microchips. Door deze in contact te brengen zou men zelfs een soort micromens kunnen maken voor onderzoek en medicatieontwikkeling. De realisatie van een dergelijk systeem kan misschien sciencefiction lijken, maar het behoort wel tot de mogelijkheden van de volgende tientallen jaren. De reden hiervoor is dat we steeds meer kennis van verschillende domeinen integreren. Ingenieurs die zeer goed zijn in het maken van biomaterialen, werken nu samen met stamceltechnologen om cellen te integreren in een orgaanstructuur. Verder modelleren toxicologen de vertaling van toxiciciteitsdata in vitro naar levende systemen, en leveren biomedische wetenschappers vitale informatie over orgaanfunctie in ontwikkeling en ziekte. Door een intense samenwerking tussen al die verschillende domeinen zijn er de laatste jaren versneld doorbraken gerealiseerd die wetenschappers op hun eentje nooit zouden kunnen bewerkstelligen. Door het samenbrengen van inzichten uit verschillende domeinen is de hoop groot dat we testsystemen kunnen ontwikkelen die de menselijke fysiologie beter weergeven dan dierproeven, en op een microschaal.
Takanori Tabeke et al., ‘Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant’, in: Nature, 20132, 499, 481–484.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License