Revolutie voor hersenonderzoek: nieuwe mini-organen

Wetenschappers gebruiken verschillende modellen om de biologie van gezond weefsel en ziekten in het laboratorium te onderzoeken. Bijvoorbeeld cellijnen, proefdieren en sinds een aantal jaar ook 3D-mini-organen. Deze zogenaamde organoïden hebben bepaalde kenmerken en zijn zo complex, dat wetenschappers de functies van een orgaan in het laboratorium nauwkeurig kunnen nabootsen. Organoïden kunnen rechtstreeks uit cellen van een weefsel worden gekweekt. Onderzoekers kunnen ook stamcellen – speciale cellen in embryo’s of in sommige volwassen weefsels – ‘sturen’ om zich te ontwikkelen tot het orgaan dat ze willen bestuderen.

Om organoïden van de hersenen in het laboratorium te kweken, stuurden onderzoekers tot nu toe embryonale of zogenaamde pluripotente stamcellen aan. Zo lieten ze die uitgroeien tot structuren die bij elkaar de verschillende delen van de hersenen vormden. Met een specifieke cocktail van moleculen probeerden ze de natuurlijke ontwikkeling van de hersenen na te bootsen – waarbij veel onderzoek nodig was voor het ‘recept’ voor elke cocktail.

Organoïden uit weefsel
In nieuw onderzoek kweekten wetenschappers van het Prinses Máxima Centrum en het Hubrecht Instituut hersenorganoïden rechtstreeks uit menselijk, foetaal hersenweefsel. De studie is vandaag gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Cell en is gefinancierd door NWO.

De onderzoekers, onder leiding van dr. Delilah Hendriks, prof. dr. Hans Clevers en dr. Benedetta Artegiani, ontdekten dat het gebruik van kleine stukjes foetaal hersenweefsel in plaats van losse cellen essentieel was voor het kweken van minihersenen. Om andere mini-organen zoals de darmen te laten groeien, breken onderzoekers normaal gesproken het oorspronkelijke weefsel af tot afzonderlijke cellen. Door in plaats daarvan te werken met kleine stukjes foetaal hersenweefsel, ontdekte het team dat deze stukjes zichzelf konden organiseren tot organoïden.

Waardevolle eigenschappen
De hersenorganoïden waren ongeveer zo groot als een rijstkorrel. De wetenschappers ontdekten een aantal eigenschappen in de mini-hersenen die ze bijzonder waardevol maken voor het bestuderen van het menselijk brein. Ten eerste was de 3D-opmaak van het weefsel complex. Het bevatte een aantal verschillende soorten hersencellen, waaronder de zogenaamde buitenste radiale glia – een celtype dat voorkomt bij mensen en onze evolutionaire voorouders. De organoïden maakten ook eiwitten die de extracellulaire matrix vormen – een soort 'steiger' rond cellen. Tenslotte behielden de organoïden verschillende kenmerken van het specifieke gebied van de hersenen waaruit ze waren gekweekt, en reageerden ze op moleculen die hun ontwikkeling stuurden.

Potentieel voor onderzoek naar kankermedicijnen
De uit weefsel gekweekte organoïden konden zich snel vermenigvuldigen. Daarom onderzocht het team vervolgens de mogelijkheid om ze te gebruiken om hersenkanker na te bootsen. De onderzoekers gebruikten CRISPR-Cas9, een techniek om het DNA te bewerken. Daarmee introduceerden ze fouten in het bekende kankergen TP53 in een klein aantal cellen in de organoïden. Na drie maanden hadden de cellen met een defect TP53 de gezonde cellen in de organoïde volledig verdrongen. Dankzij de TP53-fout konden ze dus sneller groeien, een typisch kenmerk van kankercellen.

Vervolgens gebruikten de onderzoekers CRISPR-Cas9 om drie genen uit te schakelen die verband houden met de hersentumor, glioblastoom: TP53, PTEN en NF1. Ze gebruikten deze aangepaste organoïden ook om te kijken hoe ze reageerden op bestaande kankermedicijnen. Met deze experimenten lieten de onderzoekers de mogelijkheid zien om de organoïden te gebruiken voor onderzoek naar kankermedicijnen, door bepaalde medicijnen te koppelen aan specifieke DNA-fouten.

Betrouwbaarheid
De van weefsel afkomstige organoïden bleven ruim zes maanden in een schaaltje groeien. Belangrijk is dat de wetenschappers ze konden vermenigvuldigen. Daardoor konden veel dezelfde organoïden uit één weefselmonster groeien. De minitumoren met de glioblastoom-veranderingen konden zich ook vermenigvuldigen, met behoud van dezelfde mix van mutaties. Dat betekent dat wetenschappers experimenten kunnen herhalen met de van weefsel afkomstige organoïden, en dus de betrouwbaarheid van hun bevindingen kunnen vergroten.

De onderzoekers willen de mogelijkheden met hun nieuwe, uit weefsel gekweekte hersenorganoïden nu verder onderzoeken. Ze zijn ook van plan hun werk met bio-ethici – die al betrokken waren bij het vormgeven van dit onderzoek – voort te zetten. Zij begeleiden de toekomstige ontwikkeling en toepassingen van de nieuwe hersenorganoïden.

Gezonde en ontspoorde hersenontwikkeling
Dr. Benedetta Artegiani, onderzoeksgroepleider bij het Prinses Máxima Centrum en die het onderzoek mede leidde, zegt: 'Hersenorganoïden uit foetaal weefsel zijn een nieuw hulpmiddel van onschatbare waarde om de ontwikkeling van het menselijk brein te bestuderen. We kunnen nu makkelijker onderzoeken hoe de zich ontwikkelende hersenen groeien, en kijken naar de rol van verschillende celtypen en hun omgeving.

'Met ons nieuwe, uit weefsel gekweekte hersenmodel kunnen we beter inzicht te krijgen in hoe de identiteit van cellen wordt aangestuurd in het ontwikkelende brein. Ook kan het ons helpen begrijpen hoe fouten in dat proces kunnen leiden tot neurologische ontwikkelingsziekten. Bijvoorbeeld microcefalie, maar ook tot andere ziekten die kunnen voortkomen uit ontspoorde ontwikkelingsstoornissen, zoals hersentumoren.

Nieuwe ontdekkingen
Dr. Delilah Hendriks, geaffilieerd groepsleider bij het Prinses Máxima Centrum, postdoctoraal onderzoeker bij het Hubrecht Instituut en Oncode Investigator, die het onderzoek mede leidde, zegt: ‘Deze nieuwe van foetaal weefsel afkomstige organoïden kunnen nieuwe inzichten bieden in de vorming van de verschillende delen van de hersenen, en de cellulaire diversiteit. Onze organoïden zijn een belangrijke toevoeging aan het onderzoeksveld van hersenorganoïden. Ze kunnen de bestaande organoïden uit pluripotente stamcellen goed aanvullen. We hopen van beide modellen te leren om de complexiteit van het menselijk brein te ontcijferen.

‘We kunnen de hersenorganoïden uit foetaal weefsel blijven groeien en gebruiken. Dat betekent ook dat we zoveel mogelijk kunnen leren van dergelijk kostbaar materiaal. We kijken ernaar uit deze nieuwe weefselorganoïden in te zetten voor nieuwe ontdekkingen over het menselijk brein.’

Mini-organen
Prof. dr. Hans Clevers, pionier op het gebied van organoïden, voormalig onderzoekgroepsleider bij het Hubrecht Instituut en het Prinses Máxima Centrum, en Oncode Investigator, is medeleider van het onderzoek. Hij zegt: ‘Met ons onderzoek leveren we een belangrijke bijdrage aan het organoïden- en hersenonderzoek. In 2011 ontwikkelden we de eerste menselijke darmorganoïden. Het is geweldig om te zien dat de technologie sindsdien echt een vlucht heeft genomen. Inmiddels zijn organoïden ontwikkeld voor bijna alle weefsels in het menselijk lichaam, in zowel gezondheid als ziekte – inclusief een toenemend aantal kindertumoren. Tot nu toe konden we organoïden afleiden uit de meeste menselijke organen, maar niet uit de hersenen. Het is heel bijzonder dat we nu ook die hindernis hebben kunnen overwinnen.’