Bacteriën schieten opnieuw te hulp: diervrije gel voor organoids

Onderzoekers van het Hubrecht Instituut en de Radboud Universiteit hebben een volledig diervrije gel ontwikkeld waarmee organoïden, kleine driedimensionale versies van organen, kunnen worden gekweekt. Door het bacteriële eiwit invasine te combineren met een synthetische gel, polyisocyanopeptide (PIC), creëerden ze een omgeving waarin organoïden langdurig kunnen groeien en zich uitbreiden, vergelijkbaar met dierlijke gels zoals Matrigel. De studie, gepubliceerd in PNAS, beschrijft het eerste volledig synthetische en diervrije systeem dat langdurige groei van 3D-organoïden mogelijk maakt.

Van 2D naar 3D

In 2024 toonden onderzoekers uit de groep van Hans Clevers aan dat invasine gebruikt kan worden om organoïden in 2D te laten groeien op platte oppervlakken, en ideale methode voor grootschalige screening en medicijnonderzoek. Nu laat het team zien dat het combineren van invasine met PIC-gel ook 3D groei mogelijk maakt, net als in dierlijke gels zoals Matrigel en BME. De PIC-gel werd oorspronkelijk ontwikkeld aan de Radboud Universiteit.

“Het 2D-systeem is uitstekend geschikt voor toepassingen op grote schaal,” zegt groepsleider Hans Clevers. “Het 3D-systeem vult dat aan, bijvoorbeeld om te bestuderen hoe weefsels zich ontwikkelen en functioneren.”

Een volledig synthetisch alternatief voor dierlijke gels

Tot nu toe maakten organoïde-onderzoekers meestal gebruik van Matrigel of BME, gels die worden gewonnen uit muizentumoren. Hoewel deze materialen effectief zijn, zijn ze duur, variabel tussen batches en afhankelijk van dierlijk materiaal. De nieuwe PIC–invasine-gel lost al deze problemen op.

De gel is volledig synthetisch en proefdiervrij, goed gestandaardiseerd en naar verwachting goedkoper zodra productie op grotere schaal mogelijk is. Bovendien is de gel net zo transparant als Matrigel, waardoor onderzoekers de 3D-organoïden direct onder de microscoop kunnen observeren.

De gel is bovendien gebruiksvriendelijk: hij blijft vloeibaar bij lage temperatuur, verandert in een gel bij lichaamstemperatuur (37 °C) en wordt weer vloeibaar bij afkoeling. Dit omkeerbare gedrag maakt de gel erg praktisch in het laboratorium.

Organoïden van de dunne darm van een muis, gekweekt in PIC–invasin en BME. Groene cellen markeren de Lgr5+ stamcellen die hebben geleid tot de ontdekking van organoïden. De darmstamcellen bevinden zich in de crypten, tussen Paneth-cellen. Credits: Joost Wijnakker, copyright Hubrecht Institute.

Langdurige groei

Van groot belang is ook dat het team heeft kunnen aantonen dat organoïden in de PIC–invasine-gel langdurig kunnen worden onderhouden, met behoud van een vergelijkbare structuur en celtypen als organoïden die in dierlijke gels werden opgekweet.

Organoïden afkomstig van verschillende soorten menselijke en muisweefsels groeiden succesvol in de PIC–invasine-gel. Dat toont aan dat het systeem robuust is en breed toepasbaar in zowel onderzoek als klinische toepassingen.

Veelbelovende mogelijkheden

Door dierlijke materialen te vervangen door een volledig synthetisch alternatief, zet dit onderzoek een belangrijke stap richting meer ethisch en reproduceerbaar biomedisch onderzoek. De PIC–invasine-gel kan bovendien de ontwikkeling van regeneratieve geneeskunde versnellen, aangezien hiervoor het kweken van grote hoeveelheden gezond weefsel van groot belang is.

“Deze doorbraak maakt organoïdenonderzoek consistenter, ethischer en betaalbaarder,” zegt eerste auteur Joost Wijnakker. “Het biedt veelbelovende mogelijkheden voor geneesmiddelenonderzoek, weefseltransplantatie en fundamenteel onderzoek naar menselijke biologie, allemaal zonder gebruik van dierlijke producten.”

Dit onderzoek is een samenwerking tussen het Hubrecht Instituut en de Radboud Universiteit en maakt deel uit van het Materials-Driven Regeneration Research Center.

Publicatie

Invasin-functionalized PIC hydrogels enable long-term 3D culture of epithelial organoids. Wijnakker J.A.P.M., Lim S., Schreurs R., Ferreira Faria J., Korving J., Begthel H., Iyer K.K., Kouwer P.H.J., Clevers H. PNAS (2025)

Hans Clevers is distinguished group leader bij het Hubrecht Instituut (KNAW). Deze titel is een erkenning voor zijn bijzondere verdiensten voor het instituut, de wetenschap en de samenleving, zowel nationaal als internationaal. Hij is ook groepsleider bij het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie, universiteitshoogleraar Moleculaire Genetica bij de Universiteit Utrecht, Investigator bij Oncode Institute en ad interim directeur van het Institute for Human Biology (IHB) bij Roche. In het verleden was hij directeur van het Hubrecht Instituut, president van de KNAW, directeur van het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie en hoofd van pharma Research and Early Development (pRED) bij Roche.