Kolff+ beurs voor onderzoek naar vorming van nefronen

Hoe komt het dat tijdens de aanleg van de nieren soms te weinig nefronen worden gevormd? Dat is de centrale vraag in het onderzoek van celbioloog/onderzoeker dr. Martin Hoogduijn en kindernefroloog dr. Jaap Mulder van het Erasmus MC in Rotterdam. Het onderzoek gebeurt met organoïden, oftewel mini-niertjes. Recentelijk ontvingen ze daarvoor een Kolff+ beurs van de Nierstichting. 

Nierorganoïden worden gekweekt uit pluripotente stamcellen. Die worden verkregen uit bloed door bloedcellen te herprogrammeren. Meestal is dat bloed van gezonde donoren. “Maar we kunnen ook stamcellen en nierorganoïden maken van patiënten met een nierziekte. Daarmee kunnen we vervolgens hun ziekte bestuderen. Groot pluspunt is dat de organoïden afkomstig zijn van de patiënt zelf.”

Problemen vanaf geboorte

Hoogduijn en Mulder gaan specifiek onderzoek doen naar de aanleg van nefronen. Bij de kindernefrologie komen patiënten die al vroeg in hun leven nierproblemen hebben, vaak vanwege te weinig vorming van nefronen in de nieren. Aangezien het aantal nefronen gedurende het leven afneemt, hebben deze kinderen al tijdens hun leven risico op te weinig filtratiecapaciteit van hun nieren. Zij hebben dan nierfunctievervangende therapie nodig. “Sommige kinderen hebben zelfs al vanaf hun geboorte problemen met hun nieren”, weet Hoogduijn. “Zij moeten op kinderleeftijd getransplanteerd worden. Het is niet bekend waardoor de aanleg van nefronen is verstoord. Dat is precies wat we willen gaan onderzoeken. Hoe worden nefronen aangelegd, en welke genen zijn daarbij betrokken? Sommige patiënten hebben mutaties in bepaalde genen. In ons model met organoïden willen we nagaan of die mutaties leiden tot minder nefronen.”

Complex

De techniek om organoïden te maken, heeft zich de afgelopen jaren in hoog tempo ontwikkeld. Het veld is heel breed, vertelt Hoogduijn. “Er zijn organoïden van vrijwel elk orgaan, maar het ene mini-orgaan is eenvoudiger dan het andere. Nierorganoïden zijn vrij complex. Ze zien eruit als foetaal weefsel, met een nog niet gestructureerde opbouw en met veel stromaal weefsel. De genexpressie in zo’n organoïde komt ongeveer overeen met een nier van een vroeg tweedetrimesterfoetus.”

Er is veel variatie tussen nierorganoïden van verschillende cellijnen en ook tussen experimenten. Hoogduijn en Mulder willen bijvoorbeeld bestuderen of stamcellen van een patiënt op een andere manier nefronen vormen dan stamcellen van een gezond persoon. “Maar in het ene experiment is een organoïde helemaal vol gegroeid met nefronen, terwijl dat in het andere experiment met dezelfde cellijn veel minder is. We begrijpen nog niet wat die variatie veroorzaakt.”

Hybride cellijnen

Om de werking van een nier zo goed mogelijk na te bootsen, implanteren de onderzoekers organoïden in proefdieren. Ook werken zij met een organ-on-a-chip model waarmee een flow door een organoïde is te realiseren. Om de variatie tussen organoïden te beperken, worden in het Kolff-project hybride organoïden gemaakt van cellijnen van zowel gezonde donoren als mensen met een nierziekte. “In deze organoïden kunnen we onderzoeken hoe zowel zieke als gezonde cellen bijdragen aan de vorming van nierstructuren zoals tubuli, glomeruli en endotheel”, aldus Hoogduijn. “Zo kunnen we binnen één organoïde onder exact dezelfde omstandigheden verschillen bestuderen in de capaciteit om nefronen te vormen. Met single cell sequencing kunnen alle cellen apart worden geanalyseerd op genetische verschillen. Dat is een vrij nieuwe en tamelijk complexe methodologie, die we hopelijk verder kunnen ontwikkelen en toepassen met de Kolff-beurs van de Nierstichting.”

Spannend

Een grote uitdaging is hoe de onderzoekers de analyses op de hybride organoïden kunnen opzetten. “Daarnaast is het spannend of we een fenotype terugvinden in die organoïden”, besluit Hoogduijn. “Misschien zijn de kweekcondities zo goed dat we geen verschil vinden tussen gezonde en zieke personen. We hebben inmiddels cellijnen van patiënten met een mutatie en weinig nefronen. We gaan bestuderen of we de relatie daartussen terugvinden in de organoïden. En als we daarop zouden kunnen ingrijpen, kunnen we ook gaan testen of we in de toekomst wellicht de aanleg van nefronen kunnen stimuleren. Dat zou de volgende stap zijn in het onderzoek.”

In 3D bekijken

Het bekijken van organoïden gebeurt tot nu toe vooral door er coupes van te maken met dwarsdoorsneden. Maar samen met de universiteit van Hamburg wil Hoogduijn gaan proberen om de organoïden transparant te maken en daarna te kleuren. “Dan kunnen we in 3D de vorming en opbouw van organoïden bekijken”, legt hij uit. Wellicht kunnen we ook de interactie tussen de verschillende celtypes bestuderen. Deze techniek is al toegepast op hele nieren, maar organoïden zijn veel fragieler. We zijn benieuwd of het ook daarmee gaat lukken. Er is overigens goed contact tussen verschillende onderzoeksgroepen in Nederland die werken aan organoïden, zoals in Leiden, Nijmegen en Utrecht. We werken ook nauw samen met een groep in Aken. Zo kunnen we veel van elkaar leren.”