LESSEN VOOR DE XXISTE EEUW

Transcriptie

1 LESSEN VOOR DE XXISTE EEUW (HAND-OUT) DE TRIOMF VAN HET EMBRYO DANNY HUYLEBROECK 28 februari Situering Na de kennissprong in de chemie en de toepassing ervan in de industrie, gevolgd door de spectaculaire vooruitgang in de gezondheidszorg, beleven we volop die van de biologie, die gedomineerd zal blijven door een moleculaire aanpak. De vooruitgang moet nu komen van de integratie van de kennis uit verschillende disciplines (zoals celbiologie, genetica, biochemie, recombinant DNA technologie, embryologie en moleculaire biologie), en de vertaling ervan in nieuwe toepassingen in de geneeskunde. De stelling, die hier naar voor wordt gebracht en geïllustreerd, is dat de oplossing zou kunnen komen uit studies van de ontwikkeling van embryo s. 2. Het embryo is fascinerend en een subliem architect Het sleutelprobleem is hoe één enkele cel, de bevruchte eicel, een volledig dier kan vormen. De oplossing blijkt te liggen in het feit dat onmiddellijk na de bevruchting het ééncellig embryo deelt in meerdere cellen die in die zeer vroege fase nog altijd aanleiding kunnen geven tot alle gespecialiseerde celtypes van het embryo en het volwassen dier. Deze cellen, met een zelfvernieuwingscapaciteit (self-renewal) en een onbegrensd ontwikkelingspotentieel (totipotentie), zijn de stamcellen van het embryo. Kort na deze zeer vroege ontwikkelingsfase liggen subtiele verschillen in hoe het genetisch materiaal wordt uitgedrukt in vroege embryonale cellen aan de basis van cel-cel communicatie (door middel van signalen, of de remming ervan) van de ene celgroep met de andere celgroep. Het nettoresultaat hiervan, en cruciaal voor embryonale ontwikkeling, is dat die ene celgroep het lot van die andere celgroep zal sturen, en terzelfdertijd ook dikwijls het ontwikkelingspotentieel ervan onomkeerbaar zal beperken (de cellen kunnen echter nog altijd stamcelkarakter hebben, maar zijn dan slechts pluripotent). Door dit principe van uitgekiende cel-cel communicatie en celspecialisatie te herhalen en, inderdaad als architect, cellen soms ingrijpend te herschikken, is een embryo met slechts een primitief bouwplan in staat om diverse stamcellen voor gewenste celtypes aan te leggen op het juiste moment en de juiste plaats. De combinatie van de hoger vermelde principes geldt ook voor latere fasen van de embryonale ontwikkeling en plaatsen in het embryo. De identificatie en studie van celgroepen, die het lot van naburige cellen in een vroeg en laat embryo sturen, gaat sinds de ontdekking van de eerste ervan (in 1924!) uiteraard nog altijd ononderbroken door. Dit zal geïllustreerd worden aan de hand van historische maar ook recente voorbeelden. 3. Basisprincipes en modeldieren Slechts een verrassend klein aantal mechanismen bestaan om embryo s en de verschillende structuren ervan perfect te laten ontwikkelen: een perfecte mix van celvermenigvuldiging (proliferatie), gerichte celdood (apoptosis), sturing van de specialisatie (specificatie en differentiatie) en migratie van cellen binnen het embryo, en de bijdrage tot de vorming van een weefsel of structuur waarin de cellen zijn geordend (patroonvorming), en in de late fase de echte toename van de afmeting (groei) van het embryo, zijn in de evolutie strikt bewaard en strikt genetisch gestuurd. Ongeacht de diermodellen (vlieg, worm, vis, kikker, kip en muis worden het meest gebruikt), en de sterke grootte- en vormverschillen tussen enerzijds eicellen en anderzijds embryo s, worden dus eerst en vooral deze principes universeel gebruikt. Elk modeldier heeft specifieke voor- en nadelen, inclusief toegankelijkheid (inbegrepen de grootte en aantallen embryo s) en de mogelijkheid tot toepassing van genetica. Momenteel worden vooral de vlieg (het banaanvliegje Drosophila melanogaster), worm (de nematode Caenorhabiditis elegans), zebravis (Brachydanio rerio), kikker (in feite de padden Xenopus laevis de Afrikaanse klauwpad en X. tropicalis), en kip en muis gebruikt. De zebravis (in Europa en de V.S.; in Japan wordt vooral geïnvesteerd in onderzoek op de medakavis) is een recente toevoeging aan het selecte lijstje van gewervelde modeldieren. De muis is altijd bij uitstek een geschikt en klassiek genetisch systeem geweest, maar het embryo blijft uiteraard zeer moeilijk te bestuderen omdat het volledig ontwikkelt in de moeder. Meerdere mutaties die de embryonale ontwikkeling verstoren, werden bij de muis geïdentificeerd, en bovendien werden transgene technieken ontwikkeld om 1

2 muizen genetisch te wijzigen. Het blijft het beste experimentele model om zoogdierontwikkeling te bestuderen, inclusief de ontwikkeling van de mens, en om diermodellen voor menselijke ziektes te ontwikkelen. Hiervan zullen enkele voorbeelden zorden gegeven. 4. Groeifactoren en de interpretatie van hun actie Belangrijk blijft de identificatie van de signalen die instaan voor de communicatie vanuit signalisatiecentra in embryo s, de antennes (receptors) die de ontvangende cellen gebruiken voor het vangen van het signaal aan het celoppervlak, en de studie van de manier waarop dit signaal wordt doorgegeven (signaaltransductie) aan de celkern van de ontvangende cel, die op het signaal reageert door selectief een aantal doelwitgenen te activeren of te onderdrukken. Eén van de belangrijkste groep van inductieve signalen blijkt een beperkt aantal families van eiwitten, groeifactoren, die hun activiteit uitoefenen via specifieke receptors. Het werkingsmechanisme van deze systemen verschilt significant op biochemisch vlak. De families zijn respectievelijk: de fibroblast groeifactoren, de transformerende groeifactor type β familie, de familie van Wnt eiwitten, de hedgehog familie, de delta/serrate familie, en de ephrin familie. Binnen één familie hebben deze groeifactoren zowel unieke als overlappende activiteiten, en hun gebruik wordt herhaald op verschillende tijdstippen en plaatsen van het embryo. Ook weten wij dat genetische of spontane afwijkingen (mutaties) in genen die coderen voor de groeifactoren (en b.v. leiden tot hun overproductie), de receptors ervan (die b.v. dan reeds zonder gecapteerde groeifactor actief zijn), of de intracellulaire effectoreiwitten, kunnen leiden tot misvorming of chronische ziektes, inclusief kanker. 5. Stamcellen van zoogdierembryo s en adulte weefsels: eigenschappen en potentieel 5.1. Diverse types stamcellen met verschillend ontwikkelingspotentieel De bevruchte eicel groeit uit tot een volledig dier en is daarom totipotent; in de eerste uren na de bevruchting deelt de cel zich een aantal keer, waardoor meerdere totipotente cellen ontstaan. Na de bevruchting en na meerdere (bij zoogdieren overigens trage) rondes van celdeling, begint (bij de mens na vijf dagen) de totipotente celmassa zich te specialiseren. Bij zoogdieren bestaat de dan gevormde blastocyst uit een buitenste laag cellen (trophectoderm) en een 20-tal cellen die zich in de holte bevinden, de binnenste celmassa (inner cell mass). De buitenste laag cellen ontwikkelt zich tot de placenta en de andere weefsels die evenzeer noodzakelijk zijn voor de ontwikkeling van het embryo. Deze cellen zullen dus geen deel uit van het eigenlijke embryo ( the embryo proper ), dat volledig ontstaat uit de binnenste celmassa. Deze laatste celgroep kan elk celtype vormen dat zich in een mens (muis) bevindt, maar uit deze groep cellen alleen kan dus geen zoogdier ontstaan, want hiervoor is ook, zoals vermeld, de buitenste laag cellen nodig. De binnenste celmassa is onweerlegbaar pluripotent: de cellen kunnen zich specialiseren tot zeer vele, maar niet tot alle celtypes (de cellen zijn dus ook niet meer totipotent) die nodig zijn voor de ontwikkeling van het embryo en de foetus. Mocht de binnenste celmassa in de baarmoeder worden geplaatst, dan zal zich dus geen embryo ontwikkelen. Bij de muis worden de pluripotente embryonale stamcellen (ES cellen) quasi routinematig geïsoleerd uit de binnenste celmassa van de blastocyst. De kennis van het ontwikkelingspotentieel van muis ES cellen, en hun gecontroleerde differentiatie in celcultuur tot specifieke celtypes onder invloed van groeifactoren, ligt aan de basis van recent onderzoek om menselijke ES cellen te isoleren, en gericht te sturen in hun specialisatie. De pluripotente cellen van de binnenste celmassa specialiseren zich in feite verder tot stamcellen waaruit enkel nog meer specifieke celtypes kunnen ontstaan. Een goed voorbeeld is wellicht dat van de bloedstamcellen, die zich kunnen specialiseren tot rode en witte bloedcellen, en bloedplaatjes. Deze stamcellen zijn multipotent. De stamcellen van de opperhuid daarentegen, die zich in de onderste laag cellen van de opperhuid bevinden en alleen maar keratinocyten kunnen vormen, en van waaruit de gewonde opperhuid geneest, zijn dan weer unipotent. Multipotente stamcellen spelen ook in kinderen en volwassenen vaak nog een grote rol. Opnieuw gelden hier de bloedstamcellen als goed voorbeeld. Zij bevinden zich in het beenmerg van ieder kind en elke volwassen mens, en in heel kleine hoeveelheden in de bloedbaan, en zijn absoluut vereist voor de voortdurende vernieuwing van de bloedcellen. Daarom gaan we in deze les ook kort verder in op adulte stamcellen Menselijke embryonale stamcellen Uit de vorige secties blijkt dat deze cellen een veelbelovende weg openen voor de ontwikkeling van celtherapie voor ziektes die worden veroorzaakt door het niet (meer) functioneren van bepaalde celtypes, bij voorbeeld de ziekte van Parkinson (de dopamine-producerende neuronen), diabetes (de insuline-produceren β cellen in de pancreas) en hartfalen (hartspiercellen). Net als bij de transplantatie van organen zal het lichaam van een recipiënt lichaamsvreemde donorcellen afstoten. Eén van de pistes om dit te vermijden is om volwassen stamcellen uit b.v. het eigen beenmerg te gebruiken. Uiteraard blijf de ES cel inmiddels een alternatief. Humane ES cellen waren tot nu toe alleen te etableren uit 2

3 rest-embryo's, die overblijven na in vitro fertilisatie. Inmiddels zijn er meerdere humane ES cellijnen aangemaakt door meerdere onderzoeksgroepen, ook Europese. Het isoleren van ES cellen uit menselijke embryo's van ongeveer vijf dagen wordt in brede kring aanvaardbaar geacht, als het tenminste gaat om rest-embryo's. Er wordt ook regelmatig geëist dat onderzoekers zich zouden beperken tot onderzoek naar alternatieven, zoals inderdaad het gebruik van volwassen stamcellen uit beenmerg. Een tussenoplossing, die steun krijgt van veel onderzoekers, zou kunnen inhouden dat embryo's mogen worden gebruikt, tot duidelijk is dat de alternatieven evenwaardig zijn. De stelling is hier dat men zich onvoldoende realiseert zdat wie onderzoek met ES cellen totaal blokkeert, ook het onderzoek op volwassen stamcellen zal belemmeren, en daardoor hun therapeutisch potentieel Adulte stamcellen Multipotente stamcellen treffen we nu ook meer en meer aan in bepaalde weefsels bij volwassenen, op voorwaarde dat we ze (doorgaans) moleculair kunnen onderscheiden van de niet-stamcellen, en ze ongeschonden kunnen isoleren, aanrijken of liefst als zuivere celpopulatie bekomen, wat momenteel nog heel wat onderzoek vereist. Adulte stamcellen, al dan niet met multipotentieel karakter, zijn nog niet in alle adulte weefsels gevonden, maar er worden er wel steeds meer ontdekt. Eén van de dogma s was dat stamcellen niet in het zenuwstelsel van adulte dieren voorkwamen, maar men heeft meer recent wel degelijk stamcellen geïsoleerd uit bepaalde regio s van de hersenen van modeldieren zoals rat en muis. Waarom concentreert men zich dan niet uitsluitend op onderzoek naar adulte stamcellen? Recente gegevens suggereren dat adulte stamcellen veel kunnen betekenen voor zowel het onderzoek als de ontwikkeling van celtherapie, inclusief transplantatie. Mochten we in staat zijn routinematig adulte stamcellen uit een patiënt te isoleren, de deling ervan te stimuleren, en de differentiatie ervan te sturen in de gewenste richting en de gespecialiseerde cellen vervolgens terug te plaatsen in de patiënt, dan kunnen afstotingsreacties worden vermeden. Dit lijkt veelbelovend, maar er zijn uiteraard beperkingen, vragen en/of vereisten op elk van de volgende vijf stappen, en die zijn alle samen: (i) definieer zeer nauwkeurig het cellulair probleem bij de patiënt, (ii) vind het juiste type stamcel, (iii) doe de stamcellen overeenstemmen met die van de getransplanteerde patiënt (iv) breng de stamcellen op de juiste plaats, (v) zorg ervoor dat de getransplanteerde stamcellen de juiste job doen Nood aan reglementering In het geval van onderzoek met menselijke ES cellen is dit ook in België gereglementeerd. De regelgeving in ons land is vergelijkbaar met de voorbeeldige Britse wetgeving die op stevige wetenschap, in ondermeer embryologie, steunt. In dit onderzoeksveld kunnen nieuwe en parallelle studies over stamcellen uit adulte organen of weefsels, weliswaar met beperkter ontwikkelingspotentieel dan ES cellen, en dit opnieuw onder strikte reglementering, dus een oplossing bieden. In Nederland, net zoals in ons land, is de discussie over stamcelonderzoek en -therapie uitvoerig gevoerd op legaal, sociaal en politiek vlak. Uit de discussie in Nederland bleek ondermeer dat het prille embryo van de mens (in vergelijking met de verder ontwikkelde foetus of een kind) relatief geringe beschermwaardigheid had, en terzelfdertijd dat het belang van dergelijk onderzoek wel degelijk door het publiek en de politiek als groot werd ingeschat. De Embryowet in Nederland biedt daarom voor dit onderzoek de nodige ruimte. Er wordt algemeen aangenomen dat Europa pro onderzoek is op menselijke ES cellen, en de Verenigde Staten anti zijn. Echter, verschillende individuele Europese landen hebben een net zo gevarieerde en gepolariseerde opinie, die inmiddels is vastgelegd bij wet, als die van de recent herverkozen Bush en zijn vorige en huidige administratie tegenover de inwoners van California, die zich in een referendum uitspraken, met een overweldigende meerderheid, ten gunste van een voorstel om de financiering van dit type onderzoek mogelijk te maken. 6. Genen in cellen van belangrijke centra controleren de embryogenese: enkele voorbeelden uit de knockout muis technologie 6.1. Het ingewikkeld gebouwde hart van gewervelde dieren De vroege en de late fasen van de ontwikkeling van het hart van gewervelde dieren worden in diverse modeldieren bestudeerd omdat vele dysfuncties van het hart van de mens, ook op latere leeftijd, terug te brengen zijn tot mutaties die reeds gevolgen hebben voor de aanleg van het hart in het embryo. De groeifactoren die in het embryo toelaten op de juiste plaats en ogenblik de hartvoorlopercellen te specifiëren, maar die later in datzelfde hart opnieuw belangrijk zijn (en dus hergebruikt worden) voor b.v. de signalisatie vanuit hartspiercellen om de cellen van het hartkussen om te vormen in kleppen, en deze laatste bovendien op de correcte plaats in te planten, zijn meer en meer gekend. Merkwaardig genoeg is alvast, in alle bestudeerde modeldieren, één van deze groep groeifactoren ook die groep (de been morfogenetische proteïnes of BMPs) die van therapeutisch belang is in het herstel van harde weefsels, zoals (gebroken) beenderen, maar ook van andere zachte weefsels (zoals bij nierischemie). 3

4 6.2. Arm en been op de juiste plaats, en met de juiste vingers Onze ledematen hebben vingers of tenen aan één eind, en een opperarm of dijbeen aan het andere eind, en dus ook geen vingers of tenen ergens tussen die twee einden in. Na ongeveer 20 jaar van groei zijn respectievelijk onze voeten en handen even groot. Dit banaal fenomeen is voor embryologen een fascinerend probleem. Hoe kan groei zo merkwaardig gereguleerd zijn? Hoe komt het dat we slechts vier extremiteiten hebben, en geen zes? Hoe komt het dat onze hand vormt aan één eind van de extremiteit en niet elders? Hoe komt het dat onze pink aan één kant van onze hand staat, en onze duim aan de andere? Hoe komt het dat armen anders groeien en eruit zien dan benen? Veel van deze vragen gaan over patroonvorming in het embryo, en de aanleg van de extremiteiten in de flank van een embryo, en hun verdere ontwikkeling, is bij uitstek een uitstekend studiemodel hiervoor. Het gaat dus over hoe embryonale cellen er in slagen een in de ruimte geordende structuur te vormen met gedifferentieerde cellen, hier best af te lezen aan de hand van de kraakbeenderen die zich vormen vanuit losse bindweefselcellen (mesenchym) in twee extremiteitenknoppen op elke flank van het embryo. Het antwoord ligt hoogstwaarschijnlijk in het feit dat elk van deze cellen perfect haar positie kan meten ten opzichte van de verschillende signalisatiecentra, en wellicht daardoor perfect differentieert tot in het embryo in het gewenste (kraak)been op de juiste plaats en met de juiste vorm. Het antwoord ligt absoluut zeker op basis van soms spectaculaire experimenten in vooral kip- en muisembryo s in drie signalisatiecentra die in de extremiteitenknop actief zijn, en de interpretatie van deze signalen door de cellen die kraakbeen moeten vormen. De kennis hiervan is cruciaal geweest voor het begrijpen van ledemaatmisvormingen (inclusief extra vingers, of gefusioneerde vingers) bij de mens. 7. Wat brengt de toekomst? Geïsoleerde menselijke pluripotente stamcellen en adulte stamcellen zijn van grote waarde voor de wetenschap. Onderzoek met pluripotente stamcellen zou een drastische verandering kunnen inluiden van de wijze waarop in de geneeskunde nieuwe geneesmiddelen worden ontwikkeld en getest. Nieuwe geneesmiddelen zouden eerst op menselijke cellijnen getest kunnen worden in plaats van op de gangbare zoogdiercellijnen (die de facto kanker cellijnen zijn). Pas nadien, en indien succesvol, zouden dan de verschillende fasen van klinische testen op proefpersonen en patiënten kunnen doorgaan. Misschien de meest uitdagende toepassing voor menselijke pluripotente stamcellen is de ontwikkeling van cellen en weefsels die zouden worden gebruikt voor celtherapie in plaats van donorweefsels te gebruiken. Voor organen, waarin meer dan één celtype is beschadigd, is het nog niet evident om aan te nemen dat celtherapie ook de 3-dimensionele vormgeving van het orgaan kan reconstrueren. Pluripotente stamcellen zouden, indien aangezet tot specifieke celspecialisatie, een onuitputtelijke bron zijn van cellen voor de genezing van een heel scala aan ziekten, zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, beroertes, hartziekten, suikerziekte, gewrichtsontstekingen en rheumatische arthritis. Hoe individuele gespecialiseerde cellen, elk op zich, hun instructies omzetten in de perfecte bijdrage tot de drie-dimensionele vorm van organen in het embryo blijft een uitdaging. Dit laatste aspect zal voor de regeneratieve geneeskunde van de nabije toekomst, die zal inspelen op de kennis van herstelprocessen in weefsels en organen en het feit dat hiervoor embryonale processen worden aangeschakeld en nadien weer afgeschakeld, of celtherapie gebruikt, cruciaal blijken. Het strategisch basisonderzoek en het klinisch onderzoek hebben momenteel de doelstelling om stamceltherapie te ontwikkelen die meer efficiënt is, en de invasieve chirurgische ingrepen en de risico s voor de patiënten beperkt. Er is ook duidelijk nood aan de zorgvuldige inventarisering van het echte potentieel en de beperkingen van stamcellen. Met deze opening naar therapie begeeft de embryologie, door de aard van de kennis die erin wordt verworven, zich in de vertaling van de fundamentele kennis. In deze optie hebben niet alleen onderzoekers hun zeg, maar zijn diezelfde onderzoekers ook vragende partij naar standpunten van de maatschappij en haar politieke gezagsdragers op vlak van ethische gedragscodes en commerciële exploitatie van de kennis en/of de biologische materialen. Terzelfdertijd blijft de druk op wetenschappers uit de levenswetenschappen en geneeskunde toenemen om bij te dragen tot - en zelfs direct deel te nemen - in de nieuwe kenniseconomie, en hun expertise, die er komt door de financiële injectie door de beleidsmakers, dus om te zetten in nieuwe bedrijven en jobs. Evenwicht vinden tussen de fascinatie voor het embryo en de toepassingen van de kennis ervan, daar ligt dus de uitdaging van de volgende decennia, voor wetenschappers én niet-wetenschappers. 4

5 Examenvragen 1. Wat zijn de essentiële verschillen tussen therapeutisch en reproductief klonen op conceptueel vlak, qua toepassingsmogelijkheden en in België de adviezen tot regelgeving? 2. Tot welke aangeboren afwijkingen maar ook kankers kan een verstoring van het sonic hedgehog systeem bij de mens aanleiding geven? 3. Wat is volgens u het meest ideale modeldier voor studies van de onderverdeling van het hart in verschillende kamers? Vergelijk de mogelijkheden tussen verschillende gewervelde modeldieren; kunnen we bovedien iets leren van de vlieg, en waarom (niet)? 5