Macropinocytose: hoe cellen grote slokken van hun omgeving nemen

Stel je een cel voor als een klein, gesloten zakje met een flexibel, vettig vlies eromheen: het celmembraan. Normaal gesproken is dat membraan nogal kieskeurig. Wil de cel iets specifieks naar binnen halen, dan gebruikt het meestal een soort moleculaire «hengel» — een receptor, een eiwit op het membraanoppervlak dat precies één type molecuul herkent en naar binnen trekt. Macropinocytose werkt totaal anders. In plaats van gericht te vissen, gooit de cel op sommige plekken zijn membraan omhoog in golvende plooien, die vervolgens weer neerklappen en daarbij een flinke «hap» van de omringende vloeistof insluiten, inclusief alles wat daar toevallig in zweeft.

Het resultaat is een grote, met vloeistof gevulde bel die naar binnen de cel wordt getrokken: een macropinosoom. Waar de meeste opnameprocessen van een cel heel specifiek zijn — denk aan een visser die met een hengel één bepaalde vis vangt — is macropinocytose eerder te vergelijken met een emmer die je door een zwembad haalt: je vangt water, opgeloste stoffen, en misschien ook wat vuil, allemaal tegelijk en zonder onderscheid. Deze niet-selectieve manier van «drinken» door cellen staat de laatste jaren in de belangstelling, vooral omdat bepaalde kankercellen en onderzoekers naar medicijnafgifte er om heel verschillende redenen interesse in hebben.

Wat is het precies?

Macropinocytose is een vorm van endocytose, het overkoepelende begrip voor alle manieren waarop een cel materiaal van buiten naar binnen haalt door het membraan in te stulpen. Binnen die familie van processen bestaan grofweg drie hoofdvormen. Bij fagocytose (letterlijk «celeten») omsluit de cel een vast deeltje, zoals een bacterie of celresten — dit doen vooral gespecialiseerde afweercellen. Bij clathrine-gemedieerde endocytose grijpt de cel heel gericht één specifiek molecuul via een receptor en trekt dat naar binnen in een klein blaasje, doorgaans niet groter dan zo'n honderd nanometer (honderdmiljoenste van een meter). Macropinocytose is de derde, en meest ongerichte, vorm.

Het proces begint met een signaal, bijvoorbeeld een groeifactor die aan de buitenkant van de cel aan een receptor bindt. Dat signaal zet inwendig een keten van gebeurtenissen in gang waarbij het actine-netwerk van de cel — een soort inwendig skelet van eiwitdraden dat de cel vorm en beweeglijkheid geeft — zich lokaal razendsnel opbouwt. Dat duwt het membraan omhoog in golvende uitstulpingen, vaak «ruffles» (rimpels) genoemd. Zo'n rimpel krult vervolgens terug naar het membraanoppervlak en versmelt ermee, waardoor een gesloten bel ontstaat die een fikse hoeveelheid buitenwereld insluit. Deze macropinosomen zijn met een doorsnee van ongeveer 0,2 tot 5 micrometer (duizendste millimeter) aanzienlijk groter dan de blaasjes van gerichte opname. Eenmaal binnen kan zo'n blaasje versmelten met een lysosoom, het «spijsverteringsorgaan» van de cel vol afbrekende enzymen, waarna de inhoud wordt afgebroken tot bruikbare bouwstenen zoals aminozuren. Dit basismechanisme werd voor het eerst beschreven door de Amerikaanse celbioloog Warren Lewis, die in de jaren dertig van de vorige eeuw dit soort membraanrimpeling waarnam bij macrofagen, een type afweercel.

Wat wil men ermee bereiken?

Er zijn grofweg drie redenen waarom wetenschappers macropinocytose de laatste jaren intensiever bestuderen, en ze lopen uiteen van kankeronderzoek tot vaccinontwikkeling.

Ten eerste blijkt dit proces een rol te spelen bij bepaalde kankers. Cellen met een mutatie in het gen RAS — een veelvoorkomende genetische afwijking bij onder meer alvleesklierkanker — blijken macropinocytose op te schroeven om te overleven. Tumoren groeien vaak in een voedselarme omgeving met weinig vrije aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Door via macropinocytose grote hoeveelheden extracellulair eiwit, zoals het bloedeiwit albumine, naar binnen te halen en af te breken, kunnen deze kankercellen alsnog aan aminozuren komen. Als onderzoekers begrijpen hoe dat precies werkt, hopen ze een manier te vinden om tumoren als het ware uit te hongeren door deze route te blokkeren.

Ten tweede zien onderzoekers op het gebied van drugdelivery (het gericht en effectief afleveren van medicijnen in cellen) macropinocytose juist als een kans. Veel veelbelovende nieuwe medicijnen, zoals antisense-oligonucleotiden en siRNA-moleculen (kleine stukjes genetisch materiaal die specifieke genen kunnen uitschakelen), hebben grote moeite om het celmembraan te passeren omdat ze te groot of te geladen zijn voor gewone receptoropname. Als je een medicijn zo kunt ontwerpen dat het de cel «verleidt» tot macropinocytose, zou het als het ware kunnen meeliften met de vloeistof die de cel toch al naar binnen haalt — een soort achterdeur die geen specifieke receptor vereist.

Ten derde is het proces al langer bekend bij het afweersysteem. Dendritische cellen, die de omgeving van het lichaam voortdurend aftasten op ziekteverwekkers, gebruiken macropinocytose om grote hoeveelheden extracellulaire vloeistof op te nemen en te «proeven» op vreemde eiwitten (antigenen). Dat proces, antigen sampling genoemd, is fundamenteel voor hoe het lichaam een immuunrespons opbouwt en is daarom relevant voor het ontwerpen van vaccins en immuuntherapieën.

Voorbeelden uit de praktijk

Een aantal concrete onderzoekslijnen illustreert waar dit veld op dit moment staat.

• Een veelgeciteerde studie van celbioloog Cosimo Commisso en Dafna Bar-Sagi (destijds verbonden aan NYU Langone Health), gepubliceerd in het vakblad Nature rond 2013, liet voor het eerst overtuigend zien dat RAS-gemuteerde alvleesklierkankercellen in het laboratorium albumine via macropinocytose opnemen en afbreken tot aminozuren om te overleven. Deze studie geldt als een van de aanjagers van het huidige onderzoeksveld.
• Op basis van dat werk loopt sindsdien vervolgonderzoek naar het gericht remmen van macropinocytose bij alvleesklierkanker (in de vakliteratuur vaak PDAC genoemd), een kankersoort met een van de somberste overlevingsvooruitzichten, juist omdat de gangbare behandelingen weinig aangrijpingspunten bieden.
• De eenvoudige amoebe Dictyostelium discoideum, een in de bodem levende slijmzwam, wordt door verschillende laboratoria — onder meer onderzoek geassocieerd met celbioloog Robert Insall in het Verenigd Koninkrijk — gebruikt als modelorganisme om de basismechaniek van membraanrimpeling en macropinocytose te ontrafelen, omdat deze cellen relatief eenvoudig genetisch te manipuleren zijn.
• In de farmaceutische ontwikkeling van oligonucleotide-medicijnen (ASO's en siRNA's) wordt macropinocytose onderzocht als een van de mogelijke opnameroutes de cel in, juist omdat deze moleculen slecht via de gebruikelijke receptorpaden binnenkomen.
• Albumine-gebonden kankermedicijnen zoals nab-paclitaxel (merknaam Abraxane) worden vaak genoemd als voorbeeld van hoe de aantrekkingskracht van tumoren tot albumine kan worden benut voor medicijnafgifte; het precieze aandeel van macropinocytose versus andere albumine-opnameroutes in de werking van dit specifieke middel staat overigens nog ter discussie binnen de wetenschappelijke literatuur, en dit voorbeeld moet dus met enige voorzichtigheid worden gelezen.

Hoe ver is de techniek?

Het eerlijke antwoord is: macropinocytose-onderzoek bevindt zich grotendeels nog in de fundamentele en preklinische fase, dat wil zeggen laboratoriumonderzoek aan cellen en proefdieren, niet bij patiënten. Er bestaan experimentele stoffen die macropinocytose in het laboratorium kunnen remmen, zoals de stof EIPA, maar die zijn niet geschikt als medicijn: ze zijn te weinig specifiek en te giftig voor gebruik in mensen. Voor zover bekend zijn er nog geen goedgekeurde behandelingen die macropinocytose als expliciet doelwit hebben.

De grootste hobbel is specificiteit. Macropinocytose is niet alleen iets van kankercellen — gezonde cellen, en vooral afweercellen zoals dendritische cellen en macrofagen, hebben dit proces ook nodig voor hun normale functioneren. Het proces breed afremmen zou dus ook het immuunsysteem kunnen ontregelen. Onderzoekers zoeken daarom naar manieren om alleen de «opgeschroefde» macropinocytose van kankercellen te raken, zonder de basisvariant in gezonde cellen te verstoren, en dat blijkt lastig.

Wat het onderzoek wel heeft versneld, zijn verbeteringen in microscopietechnieken: met fluorescerende merkstoffen en live-cell imaging (het in real time filmen van levende cellen onder de microscoop) kunnen wetenschappers macropinocytose tegenwoordig veel preciezer volgen en meten dan enkele decennia geleden. Voor de meest actuele stand van zaken — inclusief eventuele klinische studies die na de kennisafsluiting van dit artikel zijn gestart — is het verstandig de recente wetenschappelijke vakliteratuur te raadplegen, aangezien dit een actief en relatief snel veranderend onderzoeksveld is.

Wie werken eraan?

Macropinocytose is een specialistisch maar groeiend onderzoeksveld binnen de bredere celbiologie, met bijdragen uit verschillende hoeken.

Dafna Bar-Sagi en collega's aan NYU Langone Health (Verenigde Staten) behoren tot de invloedrijkste onderzoekers op het raakvlak van RAS-signalering, macropinocytose en alvleesklierkanker. Joel Swanson, verbonden aan de University of Michigan (Verenigde Staten), heeft baanbrekend werk gedaan aan het fundamentele mechanisme van membraanrimpeling en macropinosoomvorming. In het Verenigd Koninkrijk is onderzoek naar celbeweging en macropinocytose bij modelorganismen zoals Dictyostelium onder meer geassocieerd met celbioloog Robert Insall.

Daarnaast doen grote Amerikaanse kankercentra, zoals Memorial Sloan Kettering Cancer Center en MD Anderson Cancer Center, vertaalonderzoek waarbij inzichten uit dit basale celbiologische onderzoek worden getoetst met het oog op mogelijke toepassingen bij alvleesklierkanker. De Amerikaanse National Institutes of Health (NIH) financieren als belangrijke overheidsinstantie voor biomedisch onderzoek een groot deel van dit soort fundamenteel werk. Ook diverse biotech- en farmaceutische bedrijven die oligonucleotide-medicijnen ontwikkelen, volgen dit onderzoeksveld op de voet vanwege de mogelijke toepassing voor medicijnafgifte, al is concrete, publiek gedocumenteerde bedrijfsactiviteit op dit specifieke deelgebied beperkt en versnipperd.

Verder lezen

• Nature — vakblad waarin belangrijke ontdekkingen over macropinocytose zijn gepubliceerd.
• Cell Press — uitgever van toonaangevende celbiologische tijdschriften over dit onderwerp.
• PubMed Central (NCBI) — doorzoekbaar archief van biomedische wetenschappelijke literatuur.
• National Institutes of Health (NIH) — Amerikaanse overheidsinstantie en financier van dit onderzoeksveld.
• NYU Langone Health — instituut van een van de sleutelonderzoekers op dit gebied.