Mini-orgaantjes en organen-op-een-chip zijn twee voorbeelden van nieuwe modellen voor medisch-wetenschappelijk onderzoek. Veel onderzoek vindt traditioneel plaats met diermodellen. Dat heeft de afgelopen decennia veel nieuwe kennis en behandelingen opgeleverd, maar gebruik van proefdieren heeft ethische aspecten en wordt maatschappelijk steeds minder geaccepteerd. Bovendien kunnen resultaten uit diermodellen niet altijd rechtstreeks worden vertaald naar de mens. Daarom zijn nieuwe onderzoeksmodellen in opmars. Onderzoekers prof. Pieter Hiemstra (afd. Longziekten, LUMC) en dr. Frances de Man (afd. Longziekten, Amsterdam UMC) vertellen over het gebruik van nieuwe modellen in longonderzoek.
De Man doet onderzoek naar pulmonale hypertensie (PH). Veel PH-patiënten overlijden aan rechter hartfalen doordat de rechter hartkamer tegen te hoge druk moet pompen. “Bij de ene patiënt lukt dat wel, bij de andere niet. We weten niet wat daarvan de oorzaak is en onderzoeken dat met hartweefsel. Tot nu toe kregen we weefsel van patiënten, maar dat is weefsel uit het laatste ziektestadium. Daarom zochten we naar alternatieven.”
Aanvankelijk werden diermodellen gebruikt. Maar naast de ethische bezwaren daarover missen die modellen de relatie met de mens. “Jaarlijks worden honderden ‘compounds’ gevonden die veelbelovend zijn in dieren, maar niet werken in de mens”, weet De Man.
Interactie
Een celcultuurmodel voor het onderzoek van De Man is er niet, omdat weefsel van de rechter hartkamer van levende patiënten moeilijk is te verkrijgen. Daarom is een ander model in ontwikkeling. De Man legt uit: “We kunnen bloedcellen van een patiënt moduleren tot stamcellen, die we vervolgens kunnen laten differentiëren tot hartspiercellen. Daarmee ontwikkelen we een driedimensionale hartstructuur, om juist de interactie tussen cellen te kunnen onderzoeken bij bijvoorbeeld verhoogde druk. Voor een realistisch model zijn ook andere cellen nodig in het model. Dat is nog ingewikkeld, omdat ieder type cel een eigen groeimedium nodig heeft. We hebben inmiddels een 3D-model waarmee we al onderzoek doen. Dat gaan we verder ontwikkelen.”
Pluspunt van het model is dat het is gebaseerd op cellen van de patiënt. Maar het zal nog wel enkele jaren duren voordat het hart van een patiënt realistisch kan worden nagebootst. De Man ziet al wel de volgende stap: het aan elkaar koppelen van verschillende orgaanmodellen. “Bijvoorbeeld het testen van medicatie op bijwerkingen lukt niet met één orgaanmodel. Dat soort onderzoek kan nu helaas nog alleen in diermodellen. Dus die hebben we toch nog nodig. Maar de ontwikkeling van alternatieven gaat snel. Wij gaan in ons onderzoek altijd eerst na of we alternatieve modellen kunnen gebruiken. Grote groepen proefdieren zijn veelal niet meer nodig.”
De Man voegt er wel aan toe dat het ingewikkeld is om orgaanmodellen te maken: “Het duurt enkele maanden voordat we een 3D-hartmodel hebben van een patiënt. Het is arbeidsintensief om deze modellen te maken en te onderhouden. Dat kan niet in grote aantallen. We kunnen dus niet voor een patiënt in de kliniek even snel een model maken om een therapie te testen. De directe klinische toepassing is dus beperkt.”
Goede afspiegeling
Immunoloog/celbioloog Pieter Hiemstra doet wetenschappelijk onderzoek naar chronische ontstekingsprocessen in de long, herstel van longweefsel en longkanker. “We onderzoeken met name de rol van het epitheel bij COPD en momenteel bestuderen we ook het effect van COVID-19. Dat doen we met celkweken van cellen uit menselijk longweefsel. We werken dus sowieso al zonder diermodellen.”
De cellen in kweek zijn een goede afspiegeling van de cellen in de longen. Maar het epitheel is een complexe laag van meerdere celtypen. In een traditionele celkweek lukt het niet om dat na te bootsen. Hiemstra: “Daarom gebruiken we al vanaf het begin van deze eeuw een ‘air-liquid’-systeem, waarbij de epitheelcellen op filters met poriën groeien. Aan de bovenkant kunnen we ze aan lucht blootstellen, terwijl ze via de poriën het groeimedium krijgen. Dat stimuleert de cellen om zich te ontwikkelen zoals ze dat in de longen doen.”
Als andere nieuwe onderzoeksmodellen noemt Hiemstra de organoïden, ook wel ‘mini-orgaantjes’ genoemd en de zogeheten organen-op-een-chip. Organoïden zijn driedimensionale structuren van hooguit een millimeter in diameter. Het zijn verkleinde en versimpelde versies van organen die buiten het lichaam zijn gekweekt uit een biopt of stamcellen uit bloed. Hoewel het nog ingewikkeld is om ze te maken, worden organoïden revolutionair genoemd voor de medische wetenschap. Een orgaan-op-een-chip is een ander recent ontwikkeld kweekmodel, dat wordt gebruikt voor onder andere het bestuderen van menselijk long- en darmweefsel. De chip bestaat uit celkweekkamertjes, gescheiden door een extreem dun membraan met poriën. De twee kanten van de membraan bevatten verschillende celtypen. Zo ontstaat een model voor bijvoorbeeld een longblaasje. Het chip-systeem is enkele centimeters groot.
Beter te vertalen
Deze nieuwe modellen benaderen de natuurlijke situatie in de longen. De onderzoeksresultaten zijn daardoor steeds beter te vertalen naar de patiënt. Maar alle modellen hebben hun beperkingen, aldus Hiemstra. “Je mist immers de complexiteit van de natuurlijke situatie. Er is geen interactie met andere organen en het aantal celtypen in een model is beperkter dan in werkelijkheid. Maar de modellen zijn wel sterk in ontwikkeling, vanwege de grote vlucht in celkweektechnieken. Die worden steeds beter.”
Hiemstra staat versteld van de ontwikkelingen in de afgelopen 10 jaar. Bijvoorbeeld de techniek om elke willekeurige cel in het lichaam om te vormen tot een stamcel, waaruit onder andere longcellen kunnen worden gekweekt. “Vanuit patiëntmateriaal induceren we stamcellen, die we met combinaties van groeifactoren als het ware door het foetale leven leiden om er uiteindelijk een longcel van te maken. Dat biedt fascinerende nieuwe mogelijkheden voor onderzoek.”
Het long-chip-model van Hiemstra bevat longepitheelcellen aan de ene kant van het filter en endotheelcellen aan de andere kant. De endotheelcellen staan in contact met kanaaltjes waar groeimedium doorheen stroomt, vergelijkbaar met de bloedstroom in echte longen. Over de epitheelcellen kan een luchtstroom worden geleid, waardoor de natuurlijke mechanische krachten worden nagebootst. “Wij kweken de cellen op flexibele membranen, die we kunnen laten rekken en ontspannen. Dat is vergelijkbaar met de ademhaling. In dit model kunnen we dus natuurlijke componenten inbrengen. Alle factoren die we nabootsen, hebben invloed op het gedrag van de cellen. We kunnen de cellen dus onder verschillende omstandigheden bestuderen. Dat is erg interessant.”
Geleidelijke vervanging
Met organoïden is heel goed de ontwikkeling en het herstel van longweefsel te bestuderen. Dat kan aanknopingspunten opleveren voor betere behandeling van longziekten. Ook kan medicatie worden getest, zoals nu al gebeurt met de dure medicijnen tegen cystische fibrose. In het laboratorium worden organoïden ook gebruikt voor de isolatie van epitheelcellen als er weinig patiëntenmateriaal beschikbaar is. Zo zijn in een longlavage heel weinig epitheelcellen aanwezig. “Maar de techniek is zo krachtig, dat we die cellen er toch kunnen uithalen”, zegt Hiemstra. “Met conventionele technieken lukt dat niet. Organoïden zijn echter minder geschikt om rechtstreeks effecten te bestuderen van stoffen die vanuit de lucht in de longen komen, zoals rook of luchtverontreiniging. Maar dat kan wel met de epitheelcellen die we met behulp van de organoïden isoleren. Die epitheelcellen kunnen we vervolgens kweken op een filter of in een chip en zo het effect onderzoeken van krachten op de cellen. Zo combineren we de sterke punten van verschillende kweekmethoden.”
Hiemstra voorziet een geleidelijke vervanging van proefdiermodellen door goede alternatieven. Zo is de volledige ontwikkeling van vaccins nog niet mogelijk zonder proefdiermodel. “Maar er zijn steeds meer alternatieve modellen. De organisatie ZonMw heeft een speciaal stimuleringsprogramma voor alternatieven voor proefdieren, samen met de Stichting Proefdiervrij. Ook de overheid heeft er een innovatieprogramma voor.” In Nederland bestaat sinds 2015 tevens het Institute for human Organ and Disease Model Technologies (hDMT), een samenwerkingsverband tussen enkele universiteiten, academische ziekenhuizen en technische onderzoeksinstellingen.
Beste model zoeken
Onderzoeksmodellen worden steeds geavanceerder. Toch denkt Hiemstra niet dat er in de toekomst één ultiem model zal komen voor al het onderzoek: “Niet alles kan worden onderzocht met organoïden of long-op-een-chip. Elk model heeft voor- en nadelen. Je moet altijd uitgaan van de vraagstelling en daar het beste model bij zoeken. We zien nu ook hybride systemen ontstaan. Zo hebben organoïden als pluspunt dat de cellen op een natuurlijke manier met elkaar een structuur vormen. Dat kan worden gecombineerd met bijvoorbeeld een variant van de long-op-een-chip. Zo zullen we weer een stap verder komen.”
Mini-darmpje
Organoïden van de darm waren begin deze eeuw een vinding van prof. Hans Clevers, moleculair bioloog en kankeronderzoeker in het Hubrecht Instituut, gelegen naast het UMC Utrecht. Hij had uit darmcellen van een muis een driedimensionale structuur gekweekt die onder de microscoop leek op een mini-darmkanaal. Dit mini-darmpje was de eerste organoïde. Inmiddels zijn er organoïden van vele organen. Het Hubrecht Instituut, UMC Utrecht en de KNAW hebben de Hubrecht Organoid Technology (HUB) opgericht, bedoeld om de technologie naar de kliniek te brengen. Met organoïden wordt nu wereldwijd onderzoek gedaan. Met als groot voordeel dat dat buiten het lichaam van patiënten kan plaatsvinden.