Bekijk: Gekweekte mini-organen (2023)

Stel je even voor, elk volwassen mens telt duizenden miljarden cellen opgebouwd uit meer dan 200 verschillende celtypen. Allemaal afkomstig van slechts één enkele totipotente cel, de bevruchte eicel. Tijdens de embryonale fase ontstaat hieruit een groepje pluripotente embryonale stamcellen (ES). Individuele ES-cellen zijn in staat alle celtypen te maken. In een volgend stadium vormen zich hieruit ectodermale, mesodermale en endodermale kiembladen. Dit leidt tot verlies van de pluripotentie: ieder kiemblad bevat nu gespecialiseerde multipotente stamcellen. Deze cellen staan aan de basis van al onze organen. Bij volwassenen worden in veel organen multipotente volwassen stamcellen gebruikt voor de aanmaak van de verschillende celtypen van het betreffende orgaan of weefsel. Dit gebeurt in een proces van continue vernieuwing, of als reactie op schade aan het weefsel.

De recente spectaculaire ontwikkelingen in het stamcelonderzoek hebben geleid tot pogingen om weefsel- en orgaanvorming in het laboratorium na te bootsen. Deze gekweekte ministructuren die de functie van een orgaan nabootsen noemen we organoïden of mini-organen. Geholpen door een arsenaal aan historisch verworven inzichten die de ontwikkelingsbiologie verkreeg over de vele manieren waarop celtypen en weefsels in het embryo uit elkaar ontstaan, maakt het onderzoek naar organoïden revolutionaire stappen. Vele typen kunnen nu geproduceerd worden vanuit drie typen stamcellen: ES-cellen, kunstmatig geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS-cellen), gezamenlijke iPS-cellen, en de orgaan-specifieke volwassen stamcellen.

Van pluripotente stamcellen naar mini-organen

Het ectodermale kiemblad staat aan de basis van onze hersenen. Het belangrijkste bestanddeel ervan, de zenuwcellen, vinden hun oorsprong in stamcellen die grenzen aan de hersenholten. Deze leveren uiteindelijk het hersenmerg, de middenhersenen en de hersenschors. Sinds kort is het mogelijk om vanuit PS-cellen, hersen-organoïden te kweken. Individuele organoïden representeren hierbij de diverse hersengebieden. Dit levert de unieke mogelijkheid op om experimenteel onderzoek aan hersenontwikkeling bij de mens te doen. Vanuit delen van de embryonale hersenen ontwikkelt zich ook de retina, het zintuigweefsel van ons oog. Oog-organoïden met de voor de retina kenmerkende lichtgevoelige staafjes en kegeltjes, blijken ook uit PS-cellen geïnduceerd te kunnen worden. De hypofyse, het hersenaanhangsel dat acht essentiële hormonen produceert, vormt zich embryonaal ook vanuit de hersenen. Het coördineert de activiteit van al onze organen. Hypofyse-achtige organoïden blijken zo dicht bij het natuurlijke orgaantje te staan dat ze in muizen, na het wegnemen van de hypofyse, een deel van de hormonale functies ervan kunnen compenseren.

Het endodermale kiemblad maakt de binnenbekleding van alle organen. Het is inmiddels mogelijk gebleken om vanuit PS-cellen long-, schildklier-, maag-, dunnedarm- en leverorganoïden te kweken. Bij het induceren van al deze orgaan-specifieke organoïden, spelen de transformerende groeifactoren Nodal en Activine een basisrol. Deze twee zogenoemde morfogenen worden tijdens de embryonale ontwikkeling uitgescheiden door gespecialiseerde cellen. Door combinaties met andere morfogenen uit deze grote familie van transformerende groeifactoren (TGF-bèta), worden in naburige cellen orgaan-specifieke patronen van genen aangewakkerd. Zo blijken in het laboratorium leverorganoïden te kunnen worden geïnduceerd. De gevormde leverorganoïden bevatten hepatocyten, de werkpaarden van de lever. Deze levercellen produceren gal en zijn op vele andere manieren betrokken bij de stofwisseling. Ze ontgiften bovendien het lichaam. Precies zoals in het embryo zijn naast de endodermale, ook mesodermale stamcellen essentieel. Het bijmengen van bloedvat-voorlopercellen afkomstig van mesodermale stamcellen levert mini-levertjes die na transplantatie in de muis contact maken met bestaande bloedvaten en vervolgens de vitale lever-specifieke functies gaan uitvoeren.

Onze volwassen nier is één van de organen afkomstig uit het mesodermale kiemblad. Met haar 20 celtypen vormt de nier, na de hersenen, ons meest complexe orgaan. De nier ontstaat uit twee voorloperceltypen. Een van die voorlopers is bewegelijk van aard (mesenchymaal), de andere niet (epitheliaal). Via een ingewikkelde wisselwerking tussen deze voorlopercellen ontstaat uiteindelijk de volwassen nier (metanephros). Een volwassen nier kan ruim één miljoen functionele eenheden, ofwel nefronen, bevatten. Het grootste segment van het nefron, glomerulus of zeeflichaampje, wordt gevormd door de bewegelijke mesenchymcellen. De epitheel-achtige voorlopers vormen de bron van de urineverzamelbuizen, het laatste segment van het nefron waarin de uiteindelijk geproduceerde urine terechtkomt. De meest recent ontwikkelde nierorganoïden bevatten wel 500 nefronen die verrassend volledig gesegmenteerd blijken. Zo zijn onder andere de zeeflichaampjes en de verzamelbuizen te onderscheiden.

Mini-organen vanuit volwassen stamcellen

Bij mini-organen, gebaseerd op de pluripotente stamcellen, moet de stamcel eerst door alle essentiële embryonale ontwikkelingsstappen geleid worden op de route naar het betreffende weefsel of orgaan. Bij een volwassen multipotente stamcel hoeft slechts rekening gehouden te worden met de factoren in het voltooide orgaan die daar de duurzame weefselvernieuwing of schadeherstel regelen.

Voor het identificeren en isoleren van volwassen stamcellen en het hieruit kweken van organoïden, werd veel pionierswerk verricht voor darmstamcellen. Het celoppervlakeiwit Lgr5 werd ontdekt als herkenningsteken (merker) voor stamcellen in de darm. Na isolatie van Lgr5-dragende cellen werden deze darmstamcellen voor het eerst in het laboratorium vermeerderd. De groei en zelfvernieuwing van darmstamcellen bleken gestuurd te worden door WNT-eiwitten. Deze signaalmoleculen ontstonden al vroeg in de evolutie en zijn het communicatiemiddel tussen stamcellen in ontwikkelende dierenembryo’s. Het eiwit Lgr5 kreeg aanvankelijk enkel bekendheid als exclusieve merker voor stamcellen. De functie van Lgr5, weten we nu, is het invangen van het R-spondine eiwit. Dit is een krachtige versterker van WNT-signalen, die de onontbeerlijke rol van deze signalen bij het regelen van de weefselvernieuwing in de darm benadrukt. Genmutaties die de verwerking van de WNT-signalen verstoren, staan dan ook aan de basis van darmkanker.

Bij gekweekte mini-darmen vormt zich vanuit stamcellen, precies zoals in de normale darm, een epitheel dat zich voortdurend vernieuwt. De productie van nieuwe darmcellen vindt plaats in kleine nis-vormige delen van het epitheel: de Crypten van Lieberkühn. Vandaaruit treedt differentiatie op naar diverse darmvlok-celtypen zoals slijmproducerende Gobletcellen en enterocyten die het volledige repertoire aan voedselverwerkingsfactoren maken. Als ultiem bewijs werd vanuit een enkele Lgr5 darmstamcel een populatie van organoïden gekweekt en getransplanteerd naar muizen. De organoïden bleken onderdeel te gaan vormen van de darmbekleding en blijvend bij te dragen aan de vernieuwing ervan. Het eiwit Lgr5 lijkt een merker voor veel, zo niet alle, volwassen epitheelstamcellen. Het zal dus geen verbazing wekken dat WNT en R-spondine als essentiële transformerende factoren fungeren in zulke celkweken. Daarnaast blijken het toevoegen van de Epidermale Groei Factor (EGF) en het remmen van TGF-bèta van essentieel belang. Een hoog-geconcentreerde gel van extracellulaire eiwitten gewonnen uit muizen, een zogenoemde matrigel, blijkt een noodzakelijke component in het bieden van een zo natuurlijk mogelijke groeiomgeving voor de stamcel.

Startend met Lgr5-positieve stamcellen uit diverse organen blijkt een reeks van organoïden te kunnen worden gegenereerd. Zij vertegenwoordigen de epitheellagen van mens of muis, aanwezig in weefsels van zowel ecto-, meso- en endodermale origine. Enkele voorbeelden zijn organoïden van maag-, lever- en alvleesklierweefsel. In de laatste twee gevallen werden de Lgr5-positieve stamcellen opgewekt na aanbrengen van schade in die weefsels.

Proefweefsel voor medische toepassingen

Zowel organoïden afkomstig van pluripotente stamcellen als van multipotente volwassen stamcellen vullen de lacune op die bestond tussen klassieke humane cellijnen en proefdieren. Naast onderzoek naar de fundamentele aspecten van genen of celtypen, lijken organoïden een grote belofte in zich te hebben voor het testen van medische toepassingen. Onderzoek naar de infectiemechanismen van humane ziekteverwekkers lijkt zo’n opzienbarende nieuwe mogelijkheid. Ook onderzoek naar de oorzaak en therapie van erfelijke ziekten zoals taaislijmziekte (cystic fibrosis) richt zich nu ook succesvol op organoïden. Zo blijken patiënt-afgeleide darm-organoïden zeer geschikt voor het individueel testen van medicijnen. Erfelijke aandoeningen van de lever, zoals alpha-1-antitrypsine deficiëntie en het syndroom van Alagille waarbij het galtransport verstoord is, vinden eveneens een perfecte afspiegeling in de patiënt-afgeleide leverorganoïden. Ook gencorrectie in organoïden, met de nieuwe revolutionair snelle en eenvoudige techniek om genetisch materiaal te editen (CRISPR/Cas9), gecombineerd met herimplantatie lijkt een realistisch toekomstperspectief. Dezelfde genetische editing-techniek werd ook al gebruikt om in normale dikkedarm-organoïden de verschillende fasen van dikkedarmkanker na te bootsen. Wereldwijd genetisch onderzoek naar allerlei typen kanker zullen nieuwe genmutaties opleveren, waarvan de functionele effecten getest kunnen worden in overeenkomende organoïden. Bovendien zal de effectiviteit van (nieuwe) kankermedicijnen nu getest kunnen worden op door ziekte getroffen weefsel van individuen. Dit zal mogelijkerwijs de weg banen naar personalized medicine.