Wetenschappers hebben meer dan 400 soorten zenuwcellen gekweekt uit stamcellen

Zenuwcellen zijn niet zomaar zenuwcellen. Als je ze goed bekijkt, suggereren de laatste schattingen dat er honderden of zelfs duizenden verschillende soorten zenuwcellen in de menselijke hersenen zitten. Deze typen verschillen in hun functies, het aantal en de lengte van hun uitlopers, en hoe ze met elkaar verbonden zijn. Ze geven verschillende neurotransmitters af in synapsen, en afhankelijk van het hersengebied – bijvoorbeeld de hersenschors of de middenhersenen – zijn er verschillende soorten cellen actief.

Toen wetenschappers zenuwcellen uit stamcellen in petrischaaltjes kweekten voor experimenten, konden ze niet al deze diversiteit verklaren. Tot voor kort hadden onderzoekers methoden ontwikkeld om slechts enkele tientallen verschillende soorten zenuwcellen in vitro te kweken. Hiervoor gebruikten ze genetische manipulatie of voegden ze signaalmoleculen toe om specifieke intracellulaire signaalroutes te activeren. Maar ze waren er nog nooit in geslaagd de diversiteit van de honderden of duizenden verschillende soorten zenuwcellen in het lichaam in kaart te brengen.

"Neuronen afkomstig van stamcellen worden vaak gebruikt om ziekten te bestuderen. Maar tot nu toe hebben onderzoekers vaak genegeerd met welke typen neuronen ze werken", zegt Barbara Treutlein, hoogleraar aan de afdeling Biosysteemwetenschappen en -technologie van de ETH Zürich in Bazel.

Ze zegt echter dat dit niet de beste aanpak is voor dit soort werk.

"Als we celmodellen willen ontwikkelen om ziektes en aandoeningen zoals Alzheimer, Parkinson en depressie te bestuderen, moeten we rekening houden met het specifieke type zenuwcel dat bij het pathologische proces betrokken is."

Systematische screening als sleutel tot succes

Inmiddels hebben Treutlein en haar team met succes meer dan 400 verschillende typen zenuwcellen geproduceerd, wat de weg vrijmaakt voor nauwkeuriger fundamenteel neurologisch onderzoek met behulp van celculturen.

De ETH-wetenschappers bereikten dit door te werken met een kweek van door de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen, afkomstig van bloedcellen. In deze cellen manipuleerden ze genetisch bepaalde neuronale regulerende genen en behandelden ze de cellen met verschillende morfogenen – een speciale klasse signaalmoleculen. Treutleins team hanteerde een systematische aanpak: zeven morfogenen in verschillende combinaties en concentraties in hun screeningsexperimenten. Dit leverde uiteindelijk bijna 200 verschillende sets experimentele condities op.

Morfogenen

Morfogenen zijn signaalstoffen die bekend zijn uit onderzoek naar embryonale ontwikkeling. Ze zijn ongelijkmatig verdeeld in het embryo en vormen in verschillende concentraties ruimtelijke gradiënten. Zo bepalen ze de positie van cellen in het embryo – bijvoorbeeld of een cel zich dichter bij de lichaamsas bevindt of zich aan de achterkant, op de buik, in het hoofd of in de romp bevindt. Morfogenen helpen dus bepalen welke structuren zich in verschillende delen van het lichaam zullen vormen.

De wetenschappers gebruikten verschillende analysetechnieken om aan te tonen dat ze in het experiment meer dan 400 verschillende soorten zenuwcellen hadden weten te verkrijgen. Ze bestudeerden het RNA (en daarmee de genetische activiteit) op het niveau van individuele cellen, evenals het uiterlijk en de functie van de cellen, zoals welke celuitlopers ze hadden en welke elektrische zenuwimpulsen ze afgaven.

De onderzoekers vergeleken hun gegevens vervolgens met informatie uit databases van menselijke hersenneuronen. Dit stelde hen in staat om te bepalen welke soorten zenuwcellen er zijn aangemaakt, zoals cellen van het perifere zenuwstelsel of hersencellen, evenals uit welk hersengebied ze afkomstig zijn en waarvoor deze cellen verantwoordelijk zijn: het waarnemen van pijn, kou, beweging, enzovoort.

In vitro neuronen voor de zoektocht naar werkzame stoffen

Treutlein zei dat ze nog lang niet alle soorten zenuwcellen die in het lichaam voorkomen in vitro kunnen produceren. De onderzoekers hebben nu echter toegang tot veel meer verschillende celtypen dan voorheen.

Ze willen in vitro gekweekte neuronen gebruiken om celmodellen te ontwikkelen voor het bestuderen van ernstige neurologische aandoeningen, zoals schizofrenie, Alzheimer, Parkinson, epilepsie, slaapstoornissen en multiple sclerose. Dergelijke celmodellen zijn ook van groot belang voor farmaceutisch onderzoek, omdat de effecten van nieuwe werkzame stoffen in celculturen kunnen worden getest zonder gebruik van dieren, met als uiteindelijk doel om ooit te leren hoe deze aandoeningen genezen kunnen worden.

In de toekomst zouden deze cellen ook gebruikt kunnen worden voor celvervangende therapie, waarbij zieke of afgestorven zenuwcellen in de hersenen worden vervangen door nieuwe, menselijke cellen.

Maar voordat dat kan gebeuren, moet er een probleem worden opgelost: in hun experimenten produceerden de onderzoekers vaak een mengsel van verschillende soorten zenuwcellen. Ze werken nu aan het optimaliseren van de methode, zodat elke experimentele conditie slechts één specifiek celtype produceert. Ze hebben al een eerste idee hoe ze dat kunnen doen.