Hoe kiezen stamcellen hun identiteit?

Onze darmen bevatten verschillende soorten cellen, die elk een specifieke taak vervullen. Net als op veel andere plaatsen in ons lichaam worden de cellen in de darmen voortdurend vernieuwd: stamcellen ontwikkelen zich tot gespecialiseerde cellen met een eigen taak, zoals stoffen afscheiden die de darm beschermen of voedingsstoffen opnemen. “Uit eerder onderzoek weten we dat stamcellen zich in de dalen van de darmwand (de ‘crypten’) bevinden, terwijl de meeste gespecialiseerde en functionele cellen zich op de toppen (de ‘villi’) bevinden,” zeggen Sander Tans en Jeroen van Zon, die het onderzoek gezamenlijk leidden bij AMOLF, een onderzoeksinstituut gericht op de fysische eigenschappen en ontwerpprincipes van natuurlijke en niet-natuurlijke complexe materie. “De cellen in de darmwand worden ongeveer elke week vernieuwd, met behulp van de stamcellen in de crypten die groeien, delen en migreren naar de villi. We dachten altijd dat de opwaartse beweging naar de villus de stamcellen aanzet om een functionele cel te worden. Dit is een aantrekkelijk model, omdat het op natuurlijke wijze verklaart hoe deze functionele cellen op de juiste plaats terecht komen. Onze gegevens laten echter een ander beeld zien.”

Organoïden

Deze gegevens werden verzameld in experimenten met organoïden: mini-organen die het oorspronkelijke orgaan zo realistisch nabootsen dat wetenschappers ze kunnen gebruiken om de werking te ontrafelen of om medicijnen te testen. Promovendus Xuan Zheng, inmiddels werkzaam bij de Organoid groep van het Hubrecht Instituut, ontwikkelde de TypeTracker-techniek om het specialiseren van stamcellen te bestuderen. “Ik maak eerst ongeveer zestig uur lang een 3D-film van een groeiende organoïde,” zegt Zheng. “Daarna analyseer ik deze opnames met behulp van kunstmatige intelligentie. Zo verkrijg ik de coördinaten van alle cellen terwijl ze bewegen en delen, en daarmee ook de cellulaire stambomen.”

De stamboom van stamcellen

De onderzoekers voegden een stap toe aan deze techniek, die leidde tot verrassende inzichten. Zheng: “De identiteit van de cellen wordt bepaald door specifieke eiwitten, maar het is onmogelijk om alle relevante eiwitten te visualiseren tijdens het groeiproces. In plaats daarvan gebruikte ik na de filmopname fluorescerende en gekleurde antilichamen die specifiek binden aan de verschillende eiwitten. Ik realiseerde me dat ik met de structuur van de celstambomen, kon zien wanneer celidentiteiten in het verleden waren veranderd. Het is als een stamboom voor mensen: als één deel van de familie een bepaalde ziekte heeft, maar het andere deel niet, kun je de stamboom terug in de tijd volgen om te ontdekken wanneer de corresponderende mutatie ontstond.” Deze nieuwe gegevens toonden aan dat stamcellen hun functionele identiteit veel eerder aannemen dan gedacht. Namelijk al wanneer ze nog diep in de crypte zitten, en vóórdat ze migreren naar de villus, waarvan altijd werd aangenomen dat die plek de trigger gaf om het specialisatieproces te starten.

Commit-then-sort model

Op basis van deze stamboomexperimenten formuleerde Zheng een nieuw model voor hoe darmstamcellen zich specialiseren, dat de onderzoekers het ‘commit-then-sort’ model noemen. “We weten nu waar en wanneer darmstamcellen beginnen te specialiseren. Dit heeft gevolgen voor allerlei ander onderzoek,” zegt Zheng. “Van verschillende medische aandoeningen vermoeden we dat ze worden veroorzaakt door een onbalans tussen celtypen. Bijvoorbeeld van cellen die hormonen afscheiden: die worden door medici in verband gebracht met het prikkelbare darmsyndroom (PDS), het gevoel van volheid, maar ook met de zogenaamde darm-hersen-as. Het begrijpen van hoe cellen hun identiteit kiezen, is essentieel om te ontrafelen hoe het lichaam deze balans reguleert, en om die te beïnvloeden met medische interventies. Bovendien, als we beter willen begrijpen welke moleculaire signalen cellen aanzetten tot identiteitskeuzes, moeten we kijken naar de eerdere stadia, wanneer cellen nog niet gespecialiseerd zijn en bekende moleculaire signalen zoals de WNT-route, die bij de specialisatie een rol speelt, nog hoog zijn.”

Veelbelovende techniek

De apparatuur en procedure voor de TypeTracker-methode is relatief eenvoudig. Daarom is de methode ook veelbelovend voor allerlei ander onderzoek met organoïden. “Celidentiteit is van belang voor alle orgaanfuncties, en was voorheen alleen zichtbaar te maken in statische plaatjes. Deze methode maakt het mogelijk om de veranderingen op celniveau te bekijken. Zo kunnen we onderzoeken of hetzelfde commit-then-sort principe ook geldt voor andere organen met een compleet andere driedimensionale structuur, zoals borstweefsel dat uit kanaaltjes bestaat,” zegt Zheng. “Het mooie van organoïden is dat je onder de microscoop op celniveau de groei kunt volgen, en kunt zien hoe die verandert door genetische mutaties, medicijnen of schadelijke stoffen. Uiteindelijk hopen we te ontdekken welke moleculaire triggers bepalen hoe en wanneer stamcellen zich specialiseren.”

Publicatie

Organoid cell fate dynamics in space and time. Xuan Zheng, Max A. Betjes, Pascal Ender, Yvonne J. Goos, Guizela Huelsz-Prince, Hans Clevers, Jeroen S. van Zon, Sander J. Tans. Science Advances, 2023.