In-vivo-celherprogrammering: cellen van identiteit laten wisselen terwijl ze in het lichaam blijven

Stel je een bedrijf voor met een tekort aan loodgieters en een overschot aan elektriciens. In plaats van de elektriciens te ontslaan en nieuwe loodgieters aan te nemen, leer je ze het vak aan terwijl ze gewoon op hun werkplek blijven. Iets dergelijks proberen onderzoekers met cellen in het lichaam: in plaats van beschadigd weefsel te verwijderen en te vervangen door getransplanteerde cellen, veranderen ze de identiteit van cellen die al aanwezig zijn, precies op de plek waar ze zich bevinden.

Dat is in de kern wat in-vivo-celherprogrammering is. In vivo betekent letterlijk "in het levende lichaam" (in tegenstelling tot in vitro, in een kweekschaaltje in het lab, of ex vivo, waarbij cellen tijdelijk uit het lichaam worden gehaald, bewerkt en weer teruggeplaatst). Bij in-vivo-herprogrammering reizen wetenschappers niet met de cellen, maar sturen ze instructies rechtstreeks naar de cellen zelf, bijvoorbeeld in het hart, het netvlies of de hersenen, zodat die cellen zichzelf ter plekke ombouwen tot een ander, nuttiger celtype of tot een jongere versie van zichzelf.

Wat is het precies?

Elke cel in je lichaam heeft hetzelfde DNA, maar een huidcel gedraagt zich anders dan een hartspiercel omdat er verschillende genen aan- en uitstaan. Dat aan- en uitschakelpatroon heet het epigenoom: een soort laag instructies boven op het DNA die bepaalt welke genen worden afgelezen. Celherprogrammering grijpt in op dat epigenoom door speciale eiwitten, transcriptiefactoren genoemd, in de cel te brengen die bepaalde genen aan- of uitzetten en zo de identiteit van de cel verschuiven.

Om die transcriptiefactoren op de juiste plek te krijgen, gebruiken onderzoekers meestal een AAV-vector: een onschadelijk gemaakt virus (adeno-associated virus) dat van nature goed is in het binnendringen van cellen, maar hier is aangepast om alleen de genetische code voor de gewenste factoren af te leveren, zonder zelf ziekte te veroorzaken. Met een weefselspecifieke "adreslabel" (een promotor) kan dat virus zo worden ingesteld dat het vooral actief wordt in bijvoorbeeld hartcellen en niet in de rest van het lichaam.

Er zijn grofweg drie niveaus van herprogrammering. Bij volledige herprogrammering worden cellen helemaal teruggezet naar een pluripotente staat, vergelijkbaar met een embryonale stamcel die nog alles kan worden; dit gebeurt met de vier zogeheten Yamanaka-factoren (Oct4, Sox2, Klf4 en Myc, samen afgekort als OSKM), ontdekt door de Japanse onderzoeker Shinya Yamanaka in 2006. Bij partiële herprogrammering worden dezelfde of vergelijkbare factoren kort en gedoseerd ingezet, net genoeg om de cel epigenetisch "jonger" te maken zonder dat hij zijn identiteit als bijvoorbeeld oogcel verliest. Bij directe lineage-reprogrammering ten slotte wordt een cel niet eerst teruggezet naar een onbeschreven blad, maar meteen omgezet in een ander, specifiek celtype, zoals van bindweefselcel naar hartspiercel.

Dat onderscheid is belangrijk vanwege de risico's. Wanneer de vier Yamanaka-factoren continu en ongecontroleerd actief blijven in een levend dier, kunnen cellen zo ver terugveranderen dat ze ongeremd gaan delen en een teratoom vormen, een woekering van verschillende weefseltypes die in feite een goedaardige tumor is. Dat risico is een van de grootste technische hindernissen van dit hele onderzoeksveld, en verklaart waarom onderzoekers vaak kiezen voor kortdurende, strak gedoseerde of afgeslankte factorcombinaties (bijvoorbeeld zonder de kankergevoelige factor Myc).

Wat wil men ermee bereiken?

Veel weefsel in het menselijk lichaam kan zichzelf na schade niet of maar heel beperkt herstellen. Hartspierweefsel dat afsterft na een hartinfarct wordt vervangen door littekenweefsel in plaats van door nieuwe hartspiercellen; beschadigde zenuwcellen in de hersenen of het netvlies groeien bij volwassenen vrijwel niet terug. In-vivo-herprogrammering wil die beperking omzeilen door cellen die wél nog aanwezig zijn, maar het verkeerde type zijn (zoals littekenweefsel of steuncellen), ter plekke om te bouwen tot het celtype dat nodig is.

Een tweede, deels overlappend doel is het afremmen of deels terugdraaien van verouderingskenmerken. Veroudering gaat gepaard met geleidelijke, rommelige veranderingen in het epigenoom; het idee achter partiële herprogrammering is dat je die epigenetische "ruis" kunt verminderen zonder de celidentiteit te wissen, met als mogelijk gevolg een gezonder functionerend weefsel op hogere leeftijd. Toepassingen waar onderzoekers naar kijken zijn onder meer leeftijdsgebonden slechtziendheid, hartfalen, diabetes type 1 (waarbij insulineproducerende cellen verloren zijn gegaan) en neurodegeneratieve aandoeningen zoals de gevolgen van een beroerte.

Belangrijk om te benadrukken: dit is nog grotendeels een onderzoeksagenda, geen bewezen behandeling. De beloftes zijn aantrekkelijk, maar vrijwel al het bewijs komt tot nu toe uit proefdieren.

Voorbeelden uit de praktijk

In 2012 toonden Li Qian, Deepak Srivastava en collega's van de Gladstone Institutes in de Verenigde Staten aan dat je bij muizen bindweefselcellen in het litteken na een hartinfarct rechtstreeks in het hart kon ombouwen tot hartspiercel-achtige cellen, met de transcriptiefactoren Gata4, Mef2c en Tbx5 (samen GMT). Li Qian verbeterde deze aanpak later aan de University of North Carolina door er een vierde factor, Hand2, aan toe te voegen, wat de omzetting efficiënter maakte.

In 2016 publiceerden Alejandro Ocampo, Juan Carlos Izpisua Belmonte en collega's van het Salk Institute onderzoek waarin ze bij muizen met progeria (een ziekte die versnelde veroudering veroorzaakt) de vier Yamanaka-factoren cyclisch, dus met tussenpozen, kort activeerden. Dat leverde tekenen van een gezondere, langere levensduur op bij deze muizen, zonder dat de cellen hun identiteit volledig verloren.

In 2020 publiceerden onderzoekers uit de groep van David Sinclair aan Harvard Medical School in het vakblad Nature een studie waarin ze bij muizen met oogzenuwbeschadiging, met een glaucoommodel en bij veroudering het gezichtsvermogen deels herstelden. Ze deden dit door via een AAV-vector drie van de vier Yamanaka-factoren (Oct4, Sox2 en Klf4, zonder de kankergevoelige Myc, kortweg OSK) af te leveren aan cellen in het netvlies.

Vanaf 2014 publiceerde Gong Chen, destijds verbonden aan Penn State University en later aan Jinan University in China, onderzoek waarin reactieve astrocyten (steuncellen in de hersenen die actief worden na schade) in de muizenhersenen na een beroerte of letsel zouden zijn omgezet in functionerende neuronen, met de factor NeuroD1. Rond 2022-2023 ontstond hierover echter wetenschappelijke controverse: andere onderzoeksgroepen opperden dat het gebruikte AAV-GFAP-promotorconstruct mogelijk ook in bestaande neuronen "lekt", wat de indruk van nieuw ontstane neuronen zou kunnen vertekenen. Dit voorbeeld laat goed zien dat niet alle bevindingen in dit veld even stevig onderbouwd zijn, en dat reproduceerbaarheid een reëel knelpunt is.

Vanaf ongeveer 2010 toonde de groep van Pedro Herrera aan de Universiteit van Genève aan dat insulineproducerende betacellen in de alvleesklier van muizen, wanneer ze massaal verloren gaan, deels spontaan kunnen worden aangevuld doordat naburige alfacellen (die het hormoon glucagon maken) van identiteit veranderen. Latere experimenten probeerden deze omzetting van alfa- naar betacellen gericht te forceren, met relevantie voor onderzoek naar diabetes.

Hoe ver is de techniek?

Vrijwel al het hierboven beschreven werk is uitgevoerd in muizen en bevindt zich in een preklinische fase: er is, voor zover bekend bij het schrijven van dit artikel, geen enkele in-vivo-herprogrammeringstherapie die bij mensen is goedgekeurd. Wel zijn er aanwijzingen dat het veld richting de kliniek beweegt. Het bedrijf Life Biosciences, medeopgericht door David Sinclair, heeft naar verluidt stappen gezet om een partiële-herprogrammeringstherapie te testen bij mensen met een vorm van oogzenuwschade genaamd non-arteritic anterior ischemic optic neuropathy (NAION). Dit is vooralsnog een aankondiging van het bedrijf zelf; de exacte stand van zaken van deze studie is op dit moment niet onafhankelijk door ons te verifiëren, en dergelijke bedrijfsaankondigingen moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen.

De belangrijkste technische obstakels liggen op meerdere vlakken. Ten eerste de afgifte: AAV-vectoren kunnen maar een beperkte hoeveelheid genetische informatie meenemen en kunnen bij herhaald gebruik een immuunreactie opwekken, waardoor een tweede behandeling lastiger wordt. Ten tweede de controle over dosis en duur: een beruchte studie van Abad en collega's uit 2013 in Nature liet zien dat continue, ongecontroleerde expressie van de vier Yamanaka-factoren in levende muizen tot teratoomvorming leidde, wat het belang van kortdurende of induceerbare systemen (bijvoorbeeld met een "aan/uit-schakelaar" die reageert op het medicijn doxycycline) onderstreept. Ten derde is celtype-specificiteit cruciaal: de gebruikte promotors moeten precies genoeg zijn om alleen het gewenste celtype te raken. Ten vierde, zoals de NeuroD1-discussie laat zien, is reproduceerbaarheid tussen laboratoria nog geen gegeven. En ten slotte is de vertaalslag van muizen naar mensen nooit gegarandeerd: menselijke cellen, een menselijk immuunsysteem en een mensenleven van decennia gedragen zich niet automatisch zoals een muizenexperiment van enkele weken tot maanden.

Wie werken eraan?

In de Verenigde Staten is Harvard Medical School, met de groep van David Sinclair, een van de bekendste centra voor onderzoek naar partiële herprogrammering. Het Salk Institute, waar Juan Carlos Izpisua Belmonte lange tijd werkzaam was, speelde een vergelijkbare pioniersrol; Izpisua Belmonte is inmiddels verbonden aan Altos Labs, een in 2022 opgericht bedrijf dat met zeer omvangrijke financiering onderzoek doet naar celverjonging, met vestigingen in onder meer de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk. Life Biosciences, gevestigd in Boston, werkt specifiek aan therapeutische toepassingen van partiële herprogrammering. Ook Retro Biosciences en NewLimit zijn jonge Amerikaanse biotechbedrijven die zich op celverjonging en epigenetische herprogrammering richten; deze bedrijven worden naar verluidt mede gefinancierd door bekende techondernemers, al moet de precieze financieringsstructuur van dit soort privébedrijven met voorbehoud worden gelezen.

Op het gebied van directe lineage-reprogrammering voor hartweefsel zijn de Gladstone Institutes en de University of North Carolina at Chapel Hill (met respectievelijk Deepak Srivastava en Li Qian) toonaangevend. Het onderzoek naar omzetting van steuncellen in neuronen is sterk verbonden met Jinan University in China, waar Gong Chen zijn werk vervolgde na zijn tijd in de Verenigde Staten, wat ook de groeiende rol van China in dit onderzoeksveld illustreert. Het werk aan alvleesklierreprogrammering voor diabetes wordt onder meer getrokken door de Universiteit van Genève in Zwitserland. En aan de basis van bijna al dit werk staat Kyoto University in Japan, waar Shinya Yamanaka de herprogrammeringsfactoren ontdekte waarvoor hij in 2012 de Nobelprijs ontving, en die nu als adviseur bij meerdere van deze initiatieven betrokken is. Samengevat is het meeste geld en bedrijvigheid geconcentreerd in de Verenigde Staten, is Japan sterk in het fundamentele onderzoek, en groeit de activiteit in China merkbaar.

Verder lezen

• Nature — vakjournaal waarin veel van het originele onderzoek naar partiële en volledige celherprogrammering is gepubliceerd.
• Cell — vakjournaal (en gelieerde tijdschriften zoals Cell Stem Cell) met sleutelpublicaties over lineage-reprogrammering en de bijbehorende wetenschappelijke discussies.
• Salk Institute — Amerikaans onderzoeksinstituut met een voortrekkersrol in onderzoek naar partiële herprogrammering en veroudering.
• Gladstone Institutes — onderzoeksinstituut waar de eerste in-vivo-omzetting van hartcellen werd ontwikkeld.
• Altos Labs — biotechbedrijf gericht op onderzoek naar celverjonging via epigenetische herprogrammering.