Deel dit artikel

apoptose is een bepaald type van geprogrammeerde celdood tijdens de ontwikkeling van het lichaam waarbij ongewenste cellen worden verwijderd terwijl het omringende weefsel intact blijft. maar te veel of te weinig apoptose kan leiden tot acute of chronische aandoeningen, zoals toxische epidermale necrolyse en huidkanker. momenteel worden belangrijke inspanningen geleverd om de signalen die geprogrammeerde celdood regelen, te ontrafelen.

Signalen van celdood

Patrizia Agostinis en Marjan Garmyn

Wetenschappelijk onderzoek naar fysiologische (natuurlijke) celdood is al meer dan honderdvijftig jaar oud. In het midden van de negentiende eeuw werd vastgesteld dat organismen opgebouwd zijn uit cellen (Schleiden en Schwann, 1839) en dat er tijdens de dierlijke metamorfose opmerkelijke veranderingen in het weefsel en de morfologie plaatsvonden, die men omschreef als ‘histolysis’. Ook werd gesuggereerd dat die processen een belangrijk onderdeel vormden van de ontwikkeling van het organisme. In 1965 introduceerde de ontwikkelingsbioloog Richard Lockshin de term ‘programmed cell death’. Hiermee doelde hij op een natuurlijke vorm van celdood tijdens de ontwikkeling die verantwoordelijk is voor het verwijderen van ongewenste cellen, maar zonder het omgevende weefsel te beschadigen.

In 1972 beschreven J.F. Kerr, A.H. Wyllie en A.R. Currie de morfologische kenmerken van een bepaald type celdood dat zij ‘apoptosis’ noemden, naar het Oudgriekse woord voor het vallen van de blaren. Dit proces wordt morfologisch gekenmerkt door het verschrompelen van de cel en door een uitgesproken fragmentatie van de kern, terwijl organellen en plasmamembraan hun integriteit behouden. Het verschilt sterk van ‘necrose’, een andere vorm van celdood, waarbij zwelling van het cytoplasma, ruptuur van de celmembraan en afbraak van organellen optreden, maar met opmerkelijk weinig nucleaire veranderingen. Omdat apoptotische celdood vrij identiek verloopt in verschillende weefsels en diersoorten, werd door Kerr en medewerkers geopperd dat dit proces een zeer actief intracellulair celdoodprogramma weerspiegelt dat kan worden geregeld door verschillende fysiologische en pathologische stimuli uit de omgeving. De snelle degradatie van een apoptotische cel verklaart ook waarom, zelfs bij uitgebreide apoptose, meestal niet zo veel apoptotische cellen worden teruggevonden. Dode, apoptotische cellen worden zeer vlug (binnen het uur) via fagocytose door de omringende cellen of macrofagen verwijderd. Zo wordt ontsteking vermeden. Het fysiologische belang van apoptose blijkt uit het feit dat in een normaal volwassen organisme bij elke celdeling een andere cel wordt geëlimineerd. In het menselijk lichaam treedt die apoptotische celdood op aan een duizelingwekkende frequentie van verschillende miljoenen per seconde. Apoptose is dus gekoppeld aan een normale ontwikkeling en homeostase of zelfregulering.

Vooral de laatste twintig jaar werden de genetische componenten van het apoptotische proces in kaart gebracht. Sydney Brenner, John Sulston en Robert Horvitz ontvingen voor hun pionierswerk de Nobelprijs voor Geneeskunde of Fysiologie in 2002. Zij toonden aan dat in een klein organisme, de nematode (of rondworm) Caenorhabditis Elegans, een groep van genen verantwoordelijk is voor geprogrammeerde celdood van somatische cellen tijdens de ontwikkelingsfase van de worm. Dit onderzoek definieerde het genetische karakter van het celdoodproces: nu weten we dat dit opvallend bewaard is gebleven tijdens de evolutie. Op biochemisch niveau heeft de ontdekking door Xiaodong Wang (publicatie in Cell 1996) onze opvatting over de verbondenheid van leven- en doodprocessen drastisch veranderd. Hij ontdekte dat in cellen van zoogdieren cytochroom C – tot dan gekend als essentieel molecule dat bijdraagt tot de overleving van de cel, omdat het de productie van de energieleverancier ATP in de mitochondria drijft – ook een essentiële component wordt van de ‘apoptotische machinerie’. Cytochroom C wordt immers gedurende het proces van apoptose vrijgesteld vanuit de mitochondria in het cytosol. Die vrijzetting van cytochroom C is cruciaal voor de activering van een klasse van ‘apoptotische proteasen’, caspasen genoemd. Het overlevingsmolecule cytochroom C heeft dus ook een donkere kant: zijn tussenkomst in het celdoodmechanisme.

Uit recente onderzoeksresultaten blijkt dat verschillende ziektes vaak kunnen worden gekoppeld aan een ontregelde apoptose: te veel of te weinig. Het verlies van terminaal gedifferentieerde cellen (zoals neuronen en cardiomyocyten) door apoptose treedt acuut op bij beroertes en infarcten en verloopt chronisch progressief in degeneratieve aandoeningen. Aids bijvoorbeeld wordt veroorzaakt door het sterk toegenomen verlies van immuuncellen. Het ontsnappen aan celdood, een kenmerk van de meeste en misschien wel van alle kankers, wordt beschouwd als een van de zes essentiële veranderingen, die bepalend zijn voor de maligne groei van een cel (Hanahan en Weinberg, Cell 2000). Daarom is ook herstel of activering van het celdoodmechanisme als therapeutische strategie een van de belangrijkste topics in het kankeronderzoek. Bovendien fungeert apoptose als controlemechanisme om overbodige, geïnfecteerde en getransformeerde of verouderde cellen te verwijderen. Belangrijke inspanningen worden geleverd om de signalen te ontrafelen die apoptose en andere vormen van celdood regelen. Die kennis moet nieuwe therapeutische interventies helpen ontwerpen.

Apoptose fungeert als controlemechanisme om overbodige, geïnfecteerde en getransformeerde of verouderde cellen te verwijderen

Apoptose verloopt volgens drie fasen: een initiatie-, een effector- en een executiefase. In de initiatiefase gaan de cellen prikkels uit de omgeving vertalen in specifieke intracellulaire signalen. Tijdens de effectorfase wordt de onomkeerbare beslissing tot celdood genomen. De executiefase wordt gekenmerkt door de klassieke manifestaties van apoptose, zoals DNA-fragmentatie, en leidt tot het afsterven van de cel. Een essentieel aspect van apoptose is de activering van een familie van proteasen, caspasen genoemd. Caspasen verblijven in de cel als inactieve proenzymes, maar worden snel geactiveerd als antwoord op een apoptotisch signaal. Die activering leidt tot een selectieve klieving van proteïnen met een belangrijke cellulaire functie. Dit onomkeerbare proces kan leiden tot activering of inactivering van sleutelsubstraten, wat resulteert in de afbraak van de cel met de specifieke morfologische kenmerken van apoptose.

Op basis van structurele en functionele kenmerken worden caspasen enerzijds als ‘apical’ of ‘initiator’ en anderzijds als ‘executioners’ gedefinieerd. Die proteasen zijn verantwoordelijk voor de omzetting en amplificatie van een apoptisch signaal in een proteolytische cascade. Hierdoor wordt een initiatorcaspase geactiveerd, die op zijn beurt een executiecaspase activeert die het doodsignaal verder propageert. Elegante structurele en biochemische studies van Guy S. Salvesen en medewerkers (2007) waren zeer instructief om het mechanisme van die cruciale gebeurtenissen uit te klaren. Twee verschillende mechanismen zijn verantwoordelijk voor de activering van caspasen. Het eerste mechanisme veronderstelt dat initiatorcaspasen in de cel in een latente monomeervorm aanwezig zijn. Als respons op een doodsignaal zullen cofactoren (proteïnen die binden aan een specifiek caspasedomein) twee of meer precursorenmoleculen van caspasen in elkaars nabijheid brengen, waardoor ze gedwongen worden zich om te zetten van een monomeer in een dimeer. Die dimeervorming resulteert in caspaseactivering, gevolgd door autoactivering (intermoleculaire autoproteolyse). Het tweede mechanisme veronderstelt dat executiecaspasen als inactieve dimeren bestaan in de cel en wachten op klieving door een actieve ‘upstream’-caspase om katalytisch actief te worden. Eén van de mogelijke voordelen van het eerste mechanisme is de omkeerbaarheid van die ‘switch’ en het regulerende karakter, waardoor er een betere controle wordt voorzien op de doodsignaalcascade. Dit is in tegenstelling tot een rechtstreekse en onomkeerbare gebeurtenis (klieving), die vereist is om uitvoeringscaspasen te activeren.

In elke zoogdiercel bestaan twee basiswegen voor caspaseactivering en apoptose: de doodreceptor of extrinsieke weg, uitgelokt als respons op een extracellulaire stimulus; en de mitochondriale of intrinsieke weg, die geactiveerd wordt door een stresssignaal in de cel. De extrinsieke weg wordt getriggerd door de binding van doodliganden, met als prototype de FasL/CD95L en TNF-α (Tumor Necrosis Factor α), aan hun doodreceptoren op het oppervlak van de celmembraan. Die gebeurtenis resulteert in de vorming van een intracellulair moleculair platform, die de initiatorcaspase van die transductieweg (caspase 8) vanuit het cytosol rekruteert en vervolgens activeert. De intrinsieke weg wordt uitgelokt door verschillende intra- en extracellulaire stressors die het buitenste membraan van de mitochondria doordringbaar maken. Dit resulteert in de vrijzetting van cytochroom C en andere proapoptotische moleculen in het cytosol. Dit mechanisme wordt gecontroleerd door een klasse van proteïnen, die tot de Bcl-2-familie behoren, met ofwel een proapoptotische functie ofwel een anti-apoptotische functie. Waneer cytochroom C in het cytosol wordt vrijgezet, bindt het aan een cytosolisch proteïne – Apoptotic protease activation factor-1 (Apaf-1) – om een protëinecomplex te vormen dat ‘apoptosoom’ genoemd wordt, dat een platform voorziet voor de efficiënte activering van caspase 9, de initiatorcaspase van die transductieweg. De apoptosoom heeft een wielachtige structuur, het ‘wheel of death’, met zevenvoudige symmetrie, met een middelpunt en spaken. Recente studies hebben aangetoond dat er een waaier van factoren bestaat die de vorming en activering van de apoptosoom controleren in fysiologische omstandigheden. Deregulatie van de apoptosoomfunctie werd gedocumenteerd in verschillende humane kankers, zoals het maligne melanoma, en kan een rol spelen in het proces van carcinogenese als in de resistentie van kankercellen tegen chemotherapie. Eens geactiveerd convergeren caspase 8 en 9 in de activering van dezelfde executiecaspasen (caspase 3/7), die verantwoordelijk zijn voor de finale uitvoer van apoptose van de cel. Er bestaan bijkomende mechanismen om de onvoorziene activering van caspasen te voorkomen, zoals de aanwezigheid van endogene caspase-inhibitoren. De ‘inhibitor of apoptosis proteins’ (IAPs), waaronder X-IAP en survivin, zullen bijvoorbeeld apoptose blokkeren in het centrum van het apoptotische proces door caspasen te inhiberen.

Hoe belangrijk nu zijn die apoptotische mechanismen voor de normale fysiologie van de huid en in bepaalde huidaandoeningen? Onze huid is het grootste orgaan van ons lichaam (gemiddeld ongeveer 2m^2), ze maakt zowat zestien procent van ons lichaamsgewicht uit en vormt een barrière tussen de omgeving en onze andere lichaamsorganen, waardoor een aanval van infectieuze agentia of chemicaliën en uitdroging worden vermeden. Onze huid ondergaat een levenslange expositie aan zonlicht, waarbij gelaat en handruggen dagelijks worden blootgesteld. Onze huid speelt ook een warmteregulerende rol en participeert in de tastzin. Om weefselhomeostase en weefselherstel na verwonding te garanderen zal de huid zich voortdurend vernieuwen via celdood (apoptose) van epidermale keratinocyten. Tijdens het differentiatieproces zullen de keratinocyten migreren doorheen de verschillende lagen van het epiderm om ten slotte via afschilfering te worden verwijderd. Gedurende dit terminale differentiatieproces gaan de keratinocyten hun kern en andere organellen verliezen en zich omvormen tot dode, maar nog functioneel belangrijke corneocyten. Omdat onze huid voortdurend wordt blootgesteld aan verschillende vormen van stress, vormt ze niet alleen een mooi paradigma om de rol van apoptotische celdood onder fysiologische omstandigheden, maar ook in verschillende ziektetoestanden te bestuderen.

Zonnebrand is een klassiek voorbeeld van UV-geïnduceerde apoptose

Verschillende factoren kunnen apoptose uitlokken in onze huidcellen. De belangrijkste trigger is UVB in zonlicht. Zonlicht bevat zowel UVB (290 nm-320 nm) als UVA (320 nm-400 nm). Vooral UVB is verantwoordelijk voor de zonnebrandreactie die optreedt ongeveer 24 uur na een acute zonexpositie. Chronische blootstelling aan UVB veroorzaakt vroegtijdige veroudering van de huid en huidkanker. Dierexperimenteel onderzoek heeft aangetoond dat na een acute UVB-dosis zogenaamde zonnebrandcellen verschijnen in de opperhuid of het epiderm. Die cellen hebben alle morfologische en biochemische kenmerken van apoptose. Die zonnebrandcellen verschijnen ook massaal na een acute forse zonverbranding van onze huid. Recente studies op transgene muizen tonen aan dat het mitochondriaal afhankelijke proces van celdood primeert in door UVB bestraalde keratinocyten. Wat is de betekenis van die zonnebrandcellen of apoptotische huidcellen? Apoptose van huidcellen na UVB-bestraling weerspiegelt een verdedigingsmechansime tegen huidkanker dat geïnduceerd wordt door UV of fotocarcinogenese. Bij een forse zonverbranding zal het DNA in een deel van onze huidcellen door UVB worden beschadigd. Om permanente DNA-schade en dus mogelijke mutaties door UVB te vermijden moeten de beschadigde huidcellen op een zo efficiënt mogelijke manier uit onze huid worden verwijderd. Door in apoptose te gaan kan DNA-schade niet meer worden doorgegeven aan de dochtercellen na celdeling. Ook UVC en UVA kunnen apoptose uitlokken in huidcellen. Zonnebrand is een klassiek voorbeeld van UV-geïnduceerde apoptose.

Waar echter UVB-geïnduceerde apoptose zowel via de intrinsieke (mitochondriale) als extrinsieke (doodreceptor afhankelijke) signalisatie verloopt, zijn die huidaandoeningen met een teveel aan apoptose vooral te wijten aan een excessieve doodreceptoractivering. Twee belangrijke voorbeelden zijn toxische epidermale necrolyse (TEN) en Graft versus Host Disease (GVHD). Toxische epidermale necrolyse is een zeer ernstige, potentieel dodelijk verlopende overgevoeligheidsreactie op medicatie, waarbij de huidcellen massaal in apoptose gaan. Het eerste symptoom is apoptose van de keratinocyt, die dan evolueert naar massale apoptose van alle huidcellen. Doordat alle huidcellen van de opperhuid massaal in apoptose en uiteindelijk in necrose gaan, komt de huid in grote vellen los. Dit proces treft niet alleen de huid, maar ook de slijmvliezen, zodat ook ter hoogte van de orale, nasale, conjunctivale en genitale slijmvliezen uitgebreide erosies kunnen ontstaan. TEN komt zeer zelden voor (1,2 gevallen per 1 000 000) en wordt vooral gezien als overgevoeligheidsreactie op bepaalde antibiotica (sulfonamiden), anti-epileptica en niet-steroïdale antiflogistica (NSAIDs). In 25 tot 35 procent van de gevallen heeft TEN een fatale afloop. De massale apoptose wordt gemedieerd door interactie van het doodreceptor-ligandpaar (Fas/CD95-FasL/CD95L), zoals eerder besproken. Antistoffen die de Fas-Fas-L-interactie blokkeren, blijken een beschermend effect te hebben in die aandoening. Daarom kan TEN intraveneus worden behandeld met gammaglobulinen (IVIG).

Graft versus Host Disease (GVHD) is een vaak voorkomende complicatie na allogene beenmergtransplantatie. Het therapeutische effect van allogene (afkomstig van een andere donor) hematopoëtische stamceltransplantatie berust op het graft-versus-leukemie-effect (GVL) waarbij donor T-lymfocyten de kwaadaardige tumorcellen (leukemiecellen), die tumor-geassocieerde antigenen tot expressie brengen, uitroeien. Spijtig genoeg is GVL vaak geassocieerd met GVHD, wat wordt veroorzaakt door een aanval van de getransplanteerde donor-T-lymfocyten op het weefsel (huid, lever en darm) van de gastheer die de beenmergtransplantatie ontvangt. Die T-lymfocyten exprimeren FasL/CD95L en induceren apoptose van keratinocyten via direct celcontact. Zowel FasL/CD95L als TNF-α spelen een rol in de pathogenese van GVHD, gezien men beide moet inactiveren om GVHD volledig te verhinderen.

Aandoeningen die geassocieerd zijn met een teveel aan apoptose, zijn meestal acuut. Aandoeningen met een verminderde apoptose, zoals psoriasis en huidkanker, zijn daarentegen vaak chronisch. Een gemeenschappelijk kenmerk van die huidaandoeningen is de expressie in de huid van een lid van de ‘IAP- familie’ – survivin, een caspase-inhibitor die niet wordt teruggevonden in de normale huid. Psoriasis is een vaak voorkomende huidaandoening, die soms ook met gewrichtslast gepaard gaat en die klinisch wordt gekenmerkt door het voorkomen van scherp begrensde rode plaques met grove zilverwitte schilfering. Psoriasis kan beperkt blijven tot enkele beperkte plaques (vaak op ellebogen en knieën), maar kan ook een uitgebreidere vorm aannemen. In psoriasis is zowel de spontane als de induceerbare apoptose verminderd.

Terwijl het maligne melanoom in een vroeg stadium nog te behandelen is door chirurgie, wordt het metastatische melanoom beschouwd als een fatale ziekte

Het maligne melanoom van de huid en non-melanoma huidkanker (NMSC) zijn twee belangrijke vormen van huidkanker. Het maligne melanoom is de meest agressieve vorm van huidkanker en is te wijten aan een kwaadaardige proliferatie van melanocyten (pigment producerende cellen) in de huid. Het baso- en spinocellulaire carcinoom, die beide uitgaan van de keratinocyten in de huid, vertegenwoordigen de non-melanoma huidkankers (NMSC). Chronische cumulatieve UV-blootstelling is één van de belangrijkste externe risicofactoren in het ontstaan van NMSC en het induceren van zonnebrandcellen na UV-expositie is één van de belangrijkste verdedigingsmechanismen tegen de carcinogene effecten van UV in zonlicht. Zowel in het melanoom als in NMSC ziet men defecten optreden in de intrinsieke en extrinsieke apoptose. Het maligne melanoom van de huid ontstaat door de maligne transformatie van melanocyten in de huid. Die neuro-ectodermale cellen die zich in de meest basale laag van het epiderm bevinden, staan in voor de pigmentatie van de huid via synthese van melanine. Terwijl het maligne melanoom in een vroeg stadium (radiale of beperkt invasieve groeifase) nog curatief te behandelen is door chirurgie, wordt het metastatische melanoom beschouwd als een fatale ziekte. Melanoomcellen zijn zeer resistent tegen conventionele chemotherapie. Op moleculair niveau is de transformatie van een gezonde melanocyt naar een melanoomcel met metastatisch potentieel zeer complex. Daarnaast vertonen maligne melanomen ook defecten in Apaf-1-activering en overexpressie van anti-apoptotische Bcl-2 en Bcl-XL-proteïnen, zoals tevoren vermeld. Tevens is progressie van het maligne melanoom geassocieerd met defecten in doodreceptoractivering. Daar waar Fas-signaaltransductie functioneel is in vroegtijdige fasen van het maligne melanoom, wordt het disfunctioneel in vergevorderde stadia.

NMSC vertonen verschillende voorbeelden van apoptotische disregulatie, waarbij anti-apoptotische moleculaire determinanten verhoogd zijn, zoals toegenomen expressie van survivin en anti-apoptotische Bcl-2-familieleden, en pro-apoptotische determinanten verlaagd of inactief zijn, zoals mutatie/deletie van het tumorsuppressorgen p53, verminderde expressie van het pro-apoptotische Bax en een verlies aan Fas/CD95 expressie. Specifieke aandacht verdient het p53-gen, een tumor-suppressorgen. Een tumor-suppressorgen zal tumorvorming tegengaan. Het p53-proteïne in zijn normale of niet-gemuteerde vorm zal dit doen door inductie van groeistop en apoptose, twee processen die accumulatie van DNA-schade, mutatie en tumorgenese op lange termijn verhinderen. Het p53-gen is frequent gemuteerd in NMSC. Tevens wordt p53-mutatie ook aangetroffen in de voorlopers van het spinocellulaire carcinomen, zoals de actinische keratosen, wat erop wijst dat mutatie van p53 een vroegtijdig fenomeen is in het proces van fotocarcinogenese.

De ongelooflijke vooruitgang in onze kennis van de moleculaire mechanismen die apoptose regelen, moet nu worden vertaald naar de klinische ontwikkeling van zogenaamde ‘molecularly targeted therapeutics’, die zich specifiek richten op ofwel te veel apoptose, ofwel te weinig apoptose. Bij een teveel aan apoptose, zoals in de levensbedreigende acute dermatose, toxische epidermale necrolyse (TEN), zullen antistoffen die de Fas-FasL-interactie blokkeren en dus extrinsieke apoptose tegengaan, eventueel een potentieel dodelijke afloop kunnen voorkomen. In kankertherapie wordt het uiterst belangrijk om apoptose te kunnen induceren. De meeste antikankergeneesmiddelen zullen de tumorcel doden via apoptose. De potentie van een chemotherapeuticum om een tumorcel te doden zal zeer hoog zijn in een primaire tumor, maar verminderen bij verdere tumorprogressie. Bij metastase blijkt dan dat het apoptotische effect van zo’n chemotherapeuticum vaak ontoereikend is. De onderliggende reden is het progressief verwerven van verschillende letsels in het apoptotische proces, waardoor kankercellen zeer resistent worden tegen een bepaald antikankergeneesmiddel. De toekomstige uitdaging bestaat erin om, door tegelijkertijd meerdere pathologisch ontregelde signaaltransductiewegen te treffen, resistentie van kankercellen tegen celdood op te heffen, waardoor ze opnieuw gevoelig worden voor apoptose. Het beantwoorden van die uitdaging wordt dringend en noodzakelijk voor de uiterst agressieve kankers, waarvan het maligne melanoom van de huid een voorbeeld is.

S.J. Riedl en G.S. Salvesen, ‘The apoptosome: signalling platform of cell death’, in: Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2007, 8, 405-413.

Patrizia Agostinis is als celbioloog verbonden aan de KU Leuven.

Marjan Garmyn is als dermatoloog verbonden aan het UZ – KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen