DREADD: hersencellen aan- en uitzetten met een pilletje
Stel je voor dat je in het brein van een muis een handvol zenuwcellen zou kunnen voorzien van een uniek, kunstmatig slot. Een slot dat door geen enkele natuurlijke sleutel in het lichaam wordt geopend, maar wel opengaat zodra je één specifiek, verder onschadelijk medicijn toedient. Dat is in essentie wat DREADD doet. De afkorting staat voor 'Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs': speciaal ontworpen receptoren die alleen reageren op speciaal ontworpen medicijnen.
Onderzoekers gebruiken deze techniek om specifieke groepen hersencellen op afstand aan of uit te zetten, gewoon met een injectie of een slokje water met daarin het juiste stofje. Zo kunnen ze bijvoorbeeld precies die zenuwcellen die honger opwekken tijdelijk activeren en meteen zien wat een muis dan doet. Het is een van de belangrijkste gereedschappen geworden om te ontrafelen welke hersencircuits welk gedrag aansturen, van eetlust tot angst en van verslaving tot geheugen.
Wat is het precies?
DREADD begint bij een gewone celreceptor: de muscarine-acetylcholinereceptor. Dit is een eiwit dat normaal op het oppervlak van zenuwcellen zit en reageert op de neurotransmitter acetylcholine, een boodschapperstofje van het lichaam zelf. Onderzoekers hebben deze receptor met een paar gerichte mutaties zo aangepast dat hij niet meer reageert op acetylcholine, maar wel op een kunstmatige stof die van nature nergens in het lichaam voorkomt.
Die kunstmatige sleutel heette lange tijd clozapine-N-oxide, afgekort CNO, een variant van het bestaande antipsychoticum clozapine. Omdat CNO normaal gesproken nauwelijks een effect heeft op cellen zonder de aangepaste receptor, kunnen onderzoekers het vrijelijk toedienen zonder dat het lichaam er verder op reageert.
Er bestaan verschillende varianten van de DREADD-receptor, elk met een ander effect op de cel. De variant hM3Dq activeert een zenuwcel: geef je het bijpassende medicijn, dan gaat de cel harder vuren. De variant hM4Di doet het tegenovergestelde en remt de cel juist af, waardoor die tijdelijk 'stil' wordt gelegd. Er bestaat ook een derde type dat een ander intern signaalpad in de cel aanstuurt, met weer andere effecten op de celstofwisseling.
Om de receptor alleen in de gewenste cellen te krijgen, gebruiken onderzoekers een onschadelijk gemaakt virus, een zogeheten AAV (adeno-geassocieerd virus), als transportmiddel voor het bijbehorende gen. Dat virus wordt met een fijne naald in een specifiek hersengebied ingespoten. Door slimme genetische trucs, zoals het koppelen van de receptor aan een promotor die alleen in een bepaald celtype actief is, of door te combineren met muizen die al genetisch zijn aangepast, komt de receptor alleen terecht in het celtype dat de onderzoeker wil bestuderen. Weken later, als de cellen de receptor tot expressie brengen, kan het sturende medicijn worden toegediend en het effect worden gemeten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het brein bestaat uit miljarden zenuwcellen die in ingewikkelde netwerken samenwerken. Met technieken als hersenscans of EEG kun je zien welke gebieden actief zijn tijdens bepaald gedrag, maar dat toont alleen een verband, geen oorzaak. DREADD geeft onderzoekers iets veel krachtigers: de mogelijkheid om een specifieke groep cellen actief aan of uit te zetten en direct te observeren wat er met het gedrag of de fysiologie van een dier gebeurt. Zo kun je écht aantonen dat een bepaald circuit een bepaalde functie aanstuurt, in plaats van alleen een samenhang te vermoeden.
Een belangrijk voordeel ten opzichte van de bekendere techniek optogenetica, waarbij zenuwcellen met licht worden aangestuurd, is dat DREADD geen ingebouwde glasvezelkabel in de schedel vereist en geen precieze milliseconde-timing biedt, maar juist een langduriger, minder invasief effect over minuten tot uren. Dat maakt het bij uitstek geschikt om dieren te bestuderen terwijl ze zich vrij door hun kooi bewegen, zonder kabels, gedurende een hele gedragstest of zelfs een hele dag.
Op de langere termijn hopen sommige onderzoekers dat dit soort chemogenetische technieken ooit ook therapeutisch inzetbaar worden: het gericht dempen van overactieve hersencircuits bij bijvoorbeeld epilepsie, of het bijsturen van circuits die zijn ontregeld bij verslaving, chronische pijn of de ziekte van Parkinson. Dat blijft vooralsnog toekomstmuziek, maar het is wel een van de drijfveren achter het onderzoek.
Voorbeelden uit de praktijk
De techniek werd voor het eerst beschreven door de groep van farmacoloog Bryan Roth in 2007, in een baanbrekende publicatie waarin ze lieten zien dat ze een receptor zodanig konden 'ombouwen' dat hij alleen nog reageerde op een kunstmatig stofje.
Kort daarna, in 2009, toonden onderzoekers (Alexander en collega's) voor het eerst aan dat je met DREADD ook daadwerkelijk gedrag kunt veranderen: door specifieke hersencellen bij muizen te activeren, veranderde hun eetgedrag meetbaar.
In 2011 gebruikte een onderzoeksgroep (Krashes en collega's) DREADD om zogeheten AgRP-neuronen in de hypothalamus, cellen die een centrale rol spelen bij hongergevoel, tijdelijk en omkeerbaar te activeren. Muizen begonnen binnen minuten fors te eten zodra deze cellen werden 'aangezet', en het effect verdween weer zodra het medicijn was uitgewerkt: een mooi voorbeeld van hoe direct de link tussen circuit en gedrag kan worden aangetoond.
In 2016 zette een team (Eldridge en collega's) de techniek voor het eerst succesvol in bij resusaapjes, om een circuit tussen de prefrontale cortex en de hippocampus te onderzoeken dat betrokken is bij geheugen. Dit was een belangrijke stap, omdat het liet zien dat DREADD niet beperkt is tot knaagdieren maar ook bij dieren met een complexer brein werkt.
Ook in verslavingsonderzoek wordt de techniek veel gebruikt: door circuits die betrokken zijn bij drugshunkering en terugval selectief te dempen of te activeren bij ratten en muizen, proberen onderzoekers te achterhalen welke hersenpaden verantwoordelijk zijn voor herhaald drugsgebruik en terugval na abstinentie.
Hoe ver is de techniek?
DREADD is inmiddels een volwassen, veelgebruikt onderzoeksinstrument in de neurowetenschap. Sinds de eerste publicatie in 2007 zijn er duizenden studies verschenen waarin de techniek wordt toegepast bij muizen, ratten en in toenemende mate ook bij primaten.
Toch kwam er in 2017 een belangrijke kanttekening. Een grondige studie (Gomez en collega's, gepubliceerd in het tijdschrift Science) liet zien dat het sturende medicijn CNO in het lichaam deels wordt omgezet terug naar clozapine, het antipsychoticum waar het oorspronkelijk van is afgeleid. Clozapine bindt aan tientallen andere receptoren in de hersenen en kan dus zelf gedrag beïnvloeden, los van de DREADD-receptor. Dit betekende dat een deel van de resultaten uit eerdere studies mogelijk vertekend was door dit neveneffect, vooral bij hogere doseringen.
Als reactie hierop ontwikkelden onderzoekers nieuwe, zuiverdere sturende moleculen. Het meest gebruikte alternatief is tegenwoordig deschloroclozapine (DCZ), beschreven door een Japanse onderzoeksgroep in 2020, dat al bij veel lagere doses werkt en veel minder terugzet naar clozapine. Dit soort verfijningen laat zien dat het veld nog volop in ontwikkeling is, ook al bestaat de kerntechnologie al bijna twee decennia.
Wat betreft toepassing bij mensen: DREADD wordt op dit moment niet gebruikt als medische behandeling. Om de receptor in menselijke hersencellen te krijgen zou een vorm van gentherapie nodig zijn, met alle veiligheids- en regelgevingsvraagstukken die daarbij horen, van immuunreacties op het virus tot de vraag hoe je een dergelijke ingreep ooit weer zou kunnen terugdraaien. Voorlopig blijft de techniek dan ook vrijwel uitsluitend een onderzoeksinstrument in het laboratorium, al wordt in dierstudies wel verkend of vergelijkbare chemogenetische benaderingen ooit als therapie voor bijvoorbeeld epilepsie kunnen dienen.
Wie werken eraan?
Het laboratorium van Bryan Roth aan de University of North Carolina at Chapel Hill (VS) geldt als de bakermat van de techniek en blijft een van de meest toonaangevende groepen op dit gebied. Zijn lab beheert ook een groot screeningsprogramma voor psychoactieve stoffen, waarmee onder meer de eigenschappen van nieuwe sturende medicijnen voor DREADD worden getest.
In Japan heeft een onderzoeksgroep rond het RIKEN Center for Brain Science een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van verbeterde sturende moleculen zoals DCZ, mede door hun ervaring met chemogenetica bij primaten.
Daarnaast gebruiken honderden neurowetenschappelijke laboratoria wereldwijd, aan universiteiten en onderzoeksinstituten in de Verenigde Staten, Europa en Azië, DREADD-technieken in hun eigen onderzoek naar gedrag, verslaving, eetlust, slaap en geheugen. De genetische bouwstenen die nodig zijn om de techniek toe te passen, worden op grote schaal gedeeld via het non-profit plasmidearchief Addgene, wat sterk heeft bijgedragen aan de snelle verspreiding van de methode binnen de neurowetenschap. Financiering komt vaak uit grote overheidsprogramma's voor hersenonderzoek, zoals het Amerikaanse BRAIN Initiative, dat de ontwikkeling van dit soort circuitgereedschappen actief stimuleert.