Chemogenetica: cellen aan- en uitzetten met een pil op maat
Stel je voor dat elke lamp in huis een eigen, uniek slot heeft en dat er maar één sleutel bestaat die precies op dat slot past. Je zou dan één lamp kunnen aan- of uitzetten zonder dat de rest van het huis daar iets van merkt. Chemogenetica doet iets vergelijkbaars, maar dan met cellen in een levend lichaam, meestal hersencellen. Onderzoekers bouwen met genetische technieken een kunstmatig "slot" (een receptor, een eiwit op het celoppervlak dat signalen doorgeeft) in specifieke cellen in, en maken vervolgens een "sleutel" op maat: een stofje dat nergens anders in het lichaam op past. Slik je dat stofje in, dan reageren alleen de cellen met het ingebouwde slot; al het andere weefsel blijft onaangeroerd.
De naam is een samentrekking van "chemo" (chemisch, met stoffen) en "genetica" (via genen, het erfelijk materiaal dat bepaalt welke eiwitten een cel aanmaakt). Het is verwant aan optogenetica, waarbij cellen met licht worden aangestuurd, maar dan zonder de noodzaak van glasvezelkabels in de hersenen. In plaats daarvan volstaat een injectie of zelfs een pil. Chemogenetica is vooral een onderzoeksinstrument: het stelt wetenschappers in staat om heel precies te testen wat een bepaald type cel doet, door het tijdelijk aan te zetten of juist stil te leggen en te kijken wat er met het gedrag of de fysiologie van een dier gebeurt.
Wat is het precies?
De kern van chemogenetica is een familie van kunstmatig aangepaste receptoren, eiwitten die normaal op het celoppervlak zitten en reageren op lichaamseigen signaalstoffen zoals acetylcholine. Door een paar aminozuren in zo'n receptor te veranderen, ontstaat een variant die niet meer reageert op de natuurlijke stof, maar wél op een synthetisch, verder inert (onwerkzaam) molecuul. De bekendste van deze aangepaste receptoren heten DREADD's, een afkorting van "Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs" (op maat gemaakte receptoren die uitsluitend geactiveerd worden door op maat gemaakte medicijnen).
Het proces verloopt in een paar stappen. Eerst kiezen onderzoekers welk celtype ze willen bestuderen, bijvoorbeeld een specifiek type neuron in een hersengebied dat betrokken is bij honger, angst of beweging. Met een onschadelijk gemaakt virus (een zogeheten virale vector, vaak gebaseerd op een adeno-geassocieerd virus) wordt het genetische recept voor de DREADD-receptor in precies die cellen afgeleverd. Vaak wordt dit gecombineerd met genetische trucs die ervoor zorgen dat alleen het gewenste celtype de receptor daadwerkelijk aanmaakt, ook al krijgt een heel hersengebied de injectie.
Eenmaal aangemaakt, blijft de receptor slapend zitten totdat het designer-medicijn wordt toegediend, meestal via een injectie in de buikholte of, bij sommige nieuwere varianten, oraal. Twee veelgebruikte DREADD-typen zijn hM3Dq, die de cel juist actiever maakt, en hM4Di, die de cel remt. Zo kunnen onderzoekers naar keuze een celtype aan- of uitzetten. Het effect treedt op na enkele minuten en houdt doorgaans een tot enkele uren aan, wat veel trager is dan optogenetica (milliseconden) maar juist geschikt voor vragen over langduriger gedrag.
Naast DREADD's bestaat er een tweede, minder bekend systeem genaamd PSAM/PSEM, waarbij een kunstmatig kanaal in het celmembraan wordt ingebouwd dat opengaat zodra een specifiek chemisch signaal bindt. Dit systeem is ontwikkeld als aanvulling op DREADD's en kent eigen varianten met een nog hogere gevoeligheid voor het bijbehorende stofje.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is causaliteit aantonen in plaats van alleen verband. Hersenscans kunnen laten zien dat een hersengebied actief wordt tijdens bepaald gedrag, maar dat bewijst niet dat dat gebied het gedrag ook daadwerkelijk veroorzaakt. Door een celtype gericht aan of uit te zetten en te zien of het gedrag verandert, kunnen onderzoekers die stap wél zetten. Dit maakt chemogenetica tot een van de belangrijkste gereedschappen in de moderne neurowetenschap om hersencircuits te ontrafelen: welke cellen zijn nodig voor honger, angst, verslaving, beweging of slaap.
Een tweede, meer toekomstgerichte ambitie is therapeutisch gebruik. Het idee is aantrekkelijk: in plaats van een chirurgisch implantaat of een medicijn dat het hele lichaam beïnvloedt, zou je met een chemogenetisch systeem heel gericht een ziek celtype kunnen dempen of juist stimuleren, aan te sturen met een gewone pil. Gedacht wordt onder meer aan chronische pijn, epilepsie, de ziekte van Parkinson en bepaalde psychiatrische aandoeningen. Buiten de neurowetenschap wordt onderzocht of vergelijkbare chemische schakelaars kunnen dienen als veiligheidsmechanisme in celtherapieën, bijvoorbeeld om gemanipuleerde afweercellen (zoals CAR-T-cellen tegen kanker) op commando te kunnen afremmen als ze te heftig reageren.
Voorbeelden uit de praktijk
De DREADD-technologie werd voor het eerst beschreven in 2007 door Bryan Roth en collega's, destijds verbonden aan de University of North Carolina at Chapel Hill, in een veelgeciteerd artikel in het tijdschrift PNAS. Dat werk legde de basis voor vrijwel alle chemogenetisch onderzoek dat daarna volgde.
In de jaren daarna gebruikte de onderzoeksgroep van Scott Sternson, destijds aan het Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute, chemogenetica om zogeheten AgRP-neuronen in de hypothalamus van muizen te activeren, cellen die een centrale rol spelen bij hongergevoel. Het simpelweg "aanzetten" van deze cellen bleek voldoende om muizen binnen enkele minuten fors te laten eten, zelfs als ze al verzadigd waren, een van de duidelijkste demonstraties van hoe direct chemogenetica gedrag kan sturen.
Rond 2017 ontdekten onderzoekers (Gomez en collega's, gepubliceerd in Science) een belangrijk probleem: het meest gebruikte designer-medicijn, clozapine-N-oxide (CNO), bleek in het lichaam gedeeltelijk terug te worden omgezet in het antipsychoticum clozapine. Dat kan ongewenste, niet aan de DREADD gerelateerde effecten veroorzaken en zette het veld aan tot voorzichtigheid bij de interpretatie van eerdere resultaten.
Als antwoord daarop ontwikkelde een Japans onderzoeksteam, met betrokkenheid van RIKEN en onderzoeker Takafumi Minamimoto, rond 2020 het alternatieve ligand deschloroclozapine (DCZ), dat sterker en specifieker aan DREADD-receptoren bindt en minder terugomzetting vertoont. Dezelfde Japanse onderzoekslijn heeft DREADD's ook toegepast bij makaken (een type aap), om hersencircuits te bestuderen die relevant zijn voor beweging en beloning, een stap richting toepassing in diersoorten die dichter bij de mens staan.
Hoe ver is de techniek?
Als onderzoeksinstrument in proefdieren, vooral muizen, is chemogenetica inmiddels volwassen en wijdverbreid: het is in duizenden laboratoria wereldwijd een standaardmethode geworden om hersencircuits te bestuderen. De ontdekking van het CNO-probleem in 2017 was een belangrijke correctie die het veld voorzichtiger en methodologisch strenger heeft gemaakt, en heeft geleid tot betere, specifiekere liganden zoals DCZ.
Toepassing bij grotere diersoorten zoals apen staat nog in de kinderschoenen, maar wint terrein, mede dankzij de nieuwere, gevoeligere liganden. Voor gebruik bij mensen ligt de situatie anders: voor zover bekend is er geen chemogenetische DREADD- of PSAM-therapie die is goedgekeurd of in reguliere klinische studies bij patiënten wordt getest. De belangrijkste horde is niet het principe zelf, maar de aflevering: om chemogenetica bij mensen te gebruiken moet eerst op veilige, gecontroleerde wijze het juiste gen in de juiste cellen worden gebracht, doorgaans via gentherapie met virale vectoren, met alle vragen over veiligheid, immuunreacties en duurzaamheid van het effect die daarbij horen. Concreter en dichterbij lijkt het gebruik van vergelijkbare chemische schakelaars in celtherapieën buiten de hersenen, zoals veiligheidsmechanismen voor gemanipuleerde afweercellen, al bevindt ook dat zich overwegend nog in een experimentele fase.
Wie werken eraan?
De ontwikkeling van DREADD's wordt van oudsher geassocieerd met het laboratorium van Bryan Roth, farmacoloog aan de University of North Carolina at Chapel Hill (Verenigde Staten), wiens groep de technologie in 2007 introduceerde en sindsdien is blijven verfijnen. Het alternatieve PSAM/PSEM-systeem komt voort uit het werk van Scott Sternson, eerder verbonden aan het Janelia Research Campus (Howard Hughes Medical Institute) en later aan de University of California, San Diego.
In Japan speelt het onderzoeksteam rond Takafumi Minamimoto, verbonden aan de National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) en met banden met RIKEN, een leidende rol in de ontwikkeling van betere liganden zoals DCZ en in de toepassing van chemogenetica bij primaten. Wereldwijd wordt de techniek daarnaast gebruikt door duizenden neurowetenschappelijke onderzoeksgroepen aan universiteiten, vaak gefinancierd via grote overheidsprogramma's zoals het Amerikaanse NIH BRAIN Initiative, dat gericht investeert in het ontwikkelen van dit soort hersenonderzoekstools.
Een minder zichtbare maar cruciale speler is Addgene, een Amerikaanse non-profitorganisatie die als plasmidenbank fungeert: onderzoekers wereldwijd kunnen daar de genetische bouwplannen voor DREADD- en PSAM-constructen bestellen, wat de snelle verspreiding van de techniek sterk heeft versneld. Commerciële betrokkenheid is vooralsnog vooral zichtbaar bij leveranciers van onderzoekschemicaliën en virale vectoren, eerder dan bij farmaceutische bedrijven die chemogenetica als eindproduct voor patiënten ontwikkelen.