NL  |  EN  |  DE

Inzet van organoïden maakt onderzoek stuk efficiënter

Op 10 september 2020 promoveerde Joep Beumer op bij het Hubrecht Institute uitgevoerd onderzoek aan darmcellen. Hij richtte zich met behulp van organoïden aanvankelijk op vrij fundamentele vragen als hoe stamcellen beslissen welk celtype ze worden. Diezelfde organoïden bleken ook een geweldig efficiënte tool voor meer toegepast onderzoek, waarmee hij snel kon inspringen op actuele ontwikkelingen rond onder andere covid-19.

Eigenlijk zou Joep Beumer in april promoveren, maar covid-19 gooide roet in het eten. De optie om zijn proefschrift online te verdedigen heeft hij niet gelicht. “Bij zo’n feestelijke gebeurtenis wil je promoveren met alles erop en eraan, dus ook de zitting in het academiegebouw”, stelt hij. Frappant detail is dat hij dankzij covid-19 nog een aantal baanbrekende experimenten op zijn palmares heeft kunnen bijschrijven. Die zal je echter niet in zijn boekje aantreffen, want dat had hij net voor het uitbreken van de coronacrisis al bij de promotiecommissie ingeleverd. Gelukkig is er nog de publicatie in Science…

Zeldzame darmcellen

Insteek van het promotie-onderzoek van Joep was om uit te zoeken hoe in de darmen stamcellen beslissen welk celtype ze worden; welke signalen daar een rol bij spelen. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. “Net als de meeste andere organen bestaan de darmen uit heel veel verschillende celtypes, waarvan sommige maar weinig voorkomen. Dat geldt zeker voor de hormoonproducerende cellen, die slechts 0,5 tot 1 procent van de celpopulatie in het darmepitheel uitmaken. Extra complexiteit is dat er zeker zes verschillende subtypen zijn, die meer dan twintig verschillende hormonen maken.” Vanwege die complexiteit was er feitelijk nog geen goed model voor die cellen in het qua aantal cellen grootste hormoonproducerende orgaan, en hebben ze ook nog niet de aandacht gekregen die ze vanuit hun functionaliteit verdienen. De cellen ‘zien’ als eerste je eten en reageren nog voordat het eten in de darm is opgenomen erop door het afgeven van hormonen. Dat levert allerlei signalen op, die het lichaam voorbereiden op de effecten van eten. Zo krijgen je hersenen gemeld dat je hebt gegeten en het gevoel van honger een pitje lager kan worden gezet. Of dat de alvleesklier meer insuline kan afgeven, zodat de bloedsuikerspiegel omlaag kan. In die zin zijn het ook hele interessante cellen voor therapieën voor de behandeling van metabole ziektes als diabetes en leververvetting. “Als je die cellen kunt manipuleren, kan je je hersenen voor de gek houden door ze wijs te maken dat je al hebt gegeten of door je alvleesklier aan te moedigen om insuline af te geven terwijl er helemaal geen suiker aankomt”, licht Joep toe.

 

Joep Beumer promotie onderzoek Hubrecht Institute

Joep Beumer heeft tijdens zijn promotie-onderzoek aan het Hubrecht Institute duizenden darmorganoïden gemaakt. Hiervoor maakte hij gebruik van suspensieplaten van Greiner Bio-One, waarbij door de specifieke oppervlaktespanning de druppels matrigel of BME, waaruit de organoïde groeit, mooi hoog blijven.

Organoïden

In eerste instantie is in muismodellen onderzocht hoe de hormoonproducerende cellen onder normale omstandigheden worden gemaakt en zijn een aantal signalen ontdekt aan de hand waarvan die cellen beslissen welk hormoon ze gaan maken. Daarna is met behulp van organoïden de stap gemaakt naar humane cellen.

Joep Beumer: “De hormonen van muis en mens zijn alleen al door de grote verschillen in dieet lastig vergelijkbaar. Bepaalde hormonen worden wel in de mensendarm gemaakt en niet in de muizendarm. De muis is dus geen goed model, waarmee je in een later onderzoeksstadium ook conclusies ten aanzien van humane therapieën hard kunt maken. Voor humane hormoonproducerende cellen was echter nog geen model. Om met de diversiteit van de darm, die zich onder andere uit in verschillen in geproduceerde hormonen, rekening te houden heb ik organoïden uit verschillende delen van de darm gemaakt. De organoïden lijken op het stukje darm waar ze uit komen. Dat betekent ook dat de geproduceerde hormooncellen lijken op die uit het gebied waar ze vandaan komen.”

Onderzoekers bij het Hubrecht Institute kweken zelf de organoïden die ze voor hun onderzoek nodig hebben. “Het is best wel een uitdaging om dit praktische werk in al zijn finesses te beheersen. In ons lab pak je dat vrij snel op, omdat er zoveel experts bij elkaar zitten. Niet in de laatste plaats de analisten, die heel belangrijk zijn voor het optimaliseren van de kweekcondities, het maken van goede media. Wat dat betreft is er hier een perfecte infrastructuur waarbinnen wij kunnen werken.”

Hogere druppels

Met meer dan tien jaar voorop lopen in de ontwikkeling van organoïdetechnologie zijn de kweekprocessen in Utrecht tot in het kleinste detail geoptimaliseerd, zodat onderzoekers qua methodiek en gebruikte materialen in een gespreid bedje komen. Dat geldt bijvoorbeeld voor de cell suspension platen, waarvan Joep er tijdens zijn promotie-onderzoek ettelijke duizenden –er passen er 50 in een incubator– heeft gebruikt. “De suspensieplaten van Greiner Bio-One werken voor ons heel fijn. Ze hebben een wat lagere oppervlaktespanning dan platen van andere leveranciers. Hierdoor kunnen de druppels matrigel of BME, waaruit de organoïde groeit, een ‘dome’ vormen; het blijven mooie hoge druppels. Op de meeste standaard platen spreiden die druppels heel erg uit. Ze kunnen dan zo plat worden dat de organoïden niet meer in 3D kunnen groeien”, legt hij uit.

Het betere kleurwerk

De echte praktische uitdaging zat hem in de verdere karakterisering van de celconstructen: hoe weet je welke hormooncellen welke hormonen produceren? Dat is gelukt met behulp van een relatief nieuw genetisch trucje waardoor je alle hormonen een aparte kleur kunt geven. Hierdoor kan je hormooncellen die specifieke hormonen maken uit je organoïde vissen, wat voor veel analyses wenselijk is. Immers, als je wilt achterhalen wat de cellen precies maken, moet je ze isoleren. Daarvoor zijn die kleuren een uitstekend hulpmiddel. De gebruikte techniek is CRISPR-HOT, die bij het Hubrecht is ontwikkeld voor organoïden. Deze niet-homologe variant van de welbekende CRISPR-knip- en reparatietechniek blijkt veel beter te werken bij stamcellen van volwassen organen zoals in organoïden. Het verschil tussen deze technieken, legt Joep uit, zit hem in de manier van repareren. “Bij beide technieken wordt een knip gemaakt in een gen waar je bijvoorbeeld een kleurtje wilt introduceren. Bij CRISPR –in de zogenaamde homologe variant– biedt je de cel een template aan met de gewenste code, die de cel gebruikt om DNA aan te maken om het defect te repareren. Bij CRISPR-HOT bied je een stukje DNA aan, dat de cel direct tussen de knip zet. Het verschil met de eerste techniek is dat datgene wat je aanbiedt aan erfelijke code totaal niet hoeft te lijken op de omgeving rond waar je de knip maakt, zodat je heel effectief nieuwe eigenschappen als een kleurtje kunt introduceren.” Met behulp van die kleuringen is een diepe analyse uitgevoerd op de cellen. Welke hormonen maken ze? Wat voor receptoreiwitten zitten er op die cel? Er zijn verschillende nieuwe receptoren ontdekt, waarvan de aanwezigheid ook is bevestigd in de humane darm, en van sommigen is aangetoond dat ze de afgifte van het hormoon kunnen reguleren.

Hubrecht Institute 1,5 meter maatregel

Langzamerhand begint het weer wat drukker te worden in de laboratoria van het Hubrecht Institute. Om aan de 1,5 meter afstand te voldoen wordt in een ochtend- en middagshift gewerkt; mensen die geen experimenten uitvoeren worden geacht thuis te werken.

Perspectief

De resultaten van het PhD-onderzoek van Joep bieden perspectief naar verder onderzoek om de werking van potentiële medicijnen te testen. Daarbij kan optimaal worden geprofiteerd van de kracht van organoïden als humaan model. “Je hebt in een organoïde cellen die heel veel lijken op de echte humane cellen in een menselijk lichaam. Alles wat we tot nu toe met humane organoïden hebben gevonden blijkt ook te kloppen met wat er in het menselijk lichaam gebeurt, juist omdat ze zoveel overeenkomsten hebben met die echte cellen. In het lab hebben we al screenings uitgevoerd met 100 verschillende stoffen; in gespecialiseerde screeningfaciliteiten kan je dat doortrekken naar 10.000-en of meer. Dat geldt ook voor de hormoonproducerende cellen. Op al die kleurtjes kunnen we moleculen testen; kijken of een hormoon meer of minder wordt gemaakt. Het mooie is dat we ook al organoïden hebben gemaakt met vier verschillende hormonen met vier verschillende kleuren. Daarop kan je die screening nog effectiever doen, interacties in kaart brengen en sla je meerdere vliegen in één klap”, vertelt Joep enthousiast. Om in één adem door te vertellen dat er ook al ideeën liggen om een eigen bedrijf te starten voor het ontdekken van medicijnen met behulp van organoïden. Hoe, wie, wat & wanneer is nog even afwachten.

Covid-19

Een kandidaat voor medicijnonderzoek zou het coronavirus kunnen zijn, waarbij je –met inachtneming van het biosafety level 3 beschermingsniveau– organoïde en een coronavirus bij elkaar kunt gooien en daarop een screen kunt doen met verschillende therapieën die mogelijk dat virus kunnen remmen in de organoïden. Die gedachte leefde direct bij de opkomst van het coronavirus ook op het Hubrecht Institute, al is in eerste instantie onderzoek gedaan met darmorganoïden en niet met longorganoïden, wat op basis van het ziektebeeld veel meer voor de hand lag. Dit heeft alles te maken met de vorderingen van het onderzoek van Joep op het gebied van die darmorganoïden. “In de eerste plaats groeien longen nog niet zo robuust als darmen, en zijn ze ook nog eens een stuk lastiger genetisch te manipuleren. Bovendien kwamen al in maart de eerste indicaties dat ook de darm geïnfecteerd kon raken met covid-19. En dat gebeurde bij best veel mensen, zeker ook kinderen, die diarree en andere darmklachten hadden. Mede omdat zo’n beetje de hele wetenschappelijke wereld zich richtte op de longen, is het dan extra interessant om te achterhalen of we darmorganoïden kunnen gebruiken als model voor het geïnfecteerd kunnen raken. Er was namelijk nog geen hard bewijs dat de darm ook daadwerkelijk geïnfecteerd kon raken.”

humane organoïde uit darm met celkernen

Een humane organoïde uit de darm met de celkernen in groen. Drie hormonen (gastrine, motiline en somatostatine) zijn
zichtbaar gemaakt in verschillende kleuren.

Supersnel

Joep Beumer (en nog een groot aantal onderzoekers waarmee hij tijdens zijn PhD-periode in wisselende samenstelling samenwerkte) toonde aan dat darmcellen kunnen worden geïnfecteerd. Het bleek dat de reactie van de darmcellen op het virus helemaal niet zoveel anders was als die van de longcellen. Zowel long als darm hebben een bekleding die in contact staat met de buitenwereld. Natuurlijk zijn die bekledingen sterk verschillend, maar hun reactie op het virus is ongeveer gelijk. Bijna net zo spectaculair als de resultaten was de snelheid waarmee het onderzoek is uitgevoerd: tussen idee en publicatie zaten slechts twee maanden. Daar zijn volgens Joep verschillende redenen voor aan te geven: “Allereerst heeft Hans (Clevers, red.) flink zijn schouders er onder gezet en er voor gezorgd dat de door de coronamaatregelen toch al behoorlijk lege labs volledig ter beschikking stonden voor dit onderzoek. Daarbij hebben we die darmorganoïden zo goed in de vingers dat het praktisch gezien een relatief simpel verhaal was. En we hadden ook wel geluk dat alles in één keer goed ging, al moet ik dat deels relativeren doordat we onze kansen ook goed gespreid hadden door veel verschillende condities mee te nemen, verschillende patiëntenlijnen en verschillende organoïden te gebruiken. En we konden ook profiteren van het unieke gegeven dat papers over corona, zeker in die eerste maanden, efficiënter werden gereviewed. Normaal duurt het wel een maand voordat de referenten naar je artikel hebben gekeken; in die tijd zorgde Science er voor dat je binnen een week feedback had. Ook referenten waren wat minder pietepeuterig en focusten meer op de brede boodschap en belang van het verhaal dan op de kleinste details. In de balans van wat belangrijk is, bleek tijd ook een bepalende factor. Dat is toch wel heel bijzonder.”

Long volgt darm

Omdat de darmkweken zo goed gekarakteriseerd zijn en relatief eenvoudig genetisch kunnen worden gemanipuleerd, zal vervolgonderzoek ook in eerste instantie aan de darm plaatsvinden, dat dan later in de long kan worden bevestigd. Grootschalige screening-experimenten met het virus zelf (darmorganoïden kweken, virus erbij gooien en daar dan moleculen op screenen die dat virus zouden kunnen remmen) vormen vanwege uitgebreide veiligheidseisen en de uitdagingen met betrekking tot kwantificering misschien niet de meest voor de hand liggende benadering.

Alternatief is uit te gaan van de receptoreiwitten die belangrijk zijn voor het virus om het darmepitheel binnen te komen; waar ze aan binden. “Als die eiwitten er niet zijn of zijn afgeschermd, dan is de infectie minder efficiënt. In de darmcellen kunnen we deze eiwitten een kleur geven en dan kunnen we daar, zonder dat het virus erbij hoeft te zijn, moleculen bijgooien die zorgen dat er meer of minder van dat eiwit wordt gemaakt. Bij minder zou dat een interessant molecuul kunnen zijn om te testen als therapeuticum. Dan kan je wel een testbatterij van 10.000 moleculen opzetten. En het werkt, want op veel kleinere schaal hebben we al enige kandidaten gevonden. Die gaan we nu testen of ze daadwerkelijk het virus kunnen remmen. We zullen dus nog heel wat suspensieplaten van Greiner Bio-One gebruiken!”

Meer informatie:

Greiner Bio-One

www.gbo.com

Hubrecht Institute

www.hubrecht.eu

Deel dit artikel

Share on linkedin
Share on facebook
Share on twitter
Share on email
Share on whatsapp

Archief

Scroll naar top

Inschrijven voor de nieuwsbrief én LabVision digitaal ontvangen?