Een opsomming van de vele voordelen van directe omzetting van huidcellen in motorneuronen (volgens de onderzoeksters) (afb: Kate Galloway et al./Cell Systems)

Het omzetten van een type cel in een ander type, bijvoorbeeld een huidcel in een hersencel, was al mogelijk via een proces waarbij de huidcel eerst moet worden geprest een pluripotente stamcel te worden en vervolgens moest die worden gedifferentieerd tot een hersencel. Onderzoeksters van MIT hebben nu een vereenvoudigd proces bedacht dat de stamcelfase omzeilt en een huidcel direct omzet in een hersencel (motorneuron). Dat zou veel sneller zijn dan de ‘oude’ methode en ook een veel hogere opbrengst opleveren.
De onderzoeksters ontwikkelden met muizencellen een proces dat zeer efficiënt is en meer dan tien neuronen uit één enkele huidcel kan produceren. Als deze aanpak in menselijke cellen wordt gerepliceerd, is het mogelijk grote hoeveelheden motorische zenuwcellen te maken, die gebruikt zouden kunnen worden om patiënten met ruggenmergletsel of andere bewegingsziekten te behandelen. “We konden opbrengsten bereiken waarbij de vraag is of deze cellen levensvatbare kandidaten kunnen zijn voor de celvervangende therapieën”, zegt Katie Galloway. “Dat hopen we, natuurlijk.”

Als eerste stap in de ontwikkeling van deze cellen voor behandeling, toonden de onderzoeksters aan dat ze motorneuronen konden genereren en die implanteren in de hersenen van de muisjesmuizen, waar ze zich integreerden met het aanwezige hersenweefsel.
Zo’n jaar of twintig geleden wist Shinya Yamanaka rijpe cellen met behulp van transciptiefactoren (de vier Yamanaka-factoren) om te zetten in pluripotente stamcellen, die dan vervolgens weer tot andere celtypen konden worden ‘geprogrammeerd’. Dat werkt goed maar duurt al gauw een paar weken en veel van die pluripotente stamcellen (bijna ‘alleskunners’) weigeren zich volledig te differentiëren (rijpen) naar het uiteindelijke celtype.
Galloway: “Vaak is een van de problemen bij herprogrammering dat cellen vast kunnen komen te zitten in tussenliggende fasen. Dus gebruikten we directe omzetting , waarbij we in plaats van via een stamcelstadium direct van een somatische cel naar (in dit geval; as) een motorneuron gaan.”

Galloway’s onderzoeksgroep en anderen hebben dit type directe conversie eerder aangetoond, maar de opbrengsten waren laag: minder dan 1%. In eerder onderzoek gebruikte ze een combinatie van zes transcriptiefactoren plus twee andere eiwitten die celdeling stimuleren. Elk van die acht genen, die voor die eiwitten coderen, werd afgeleverd met behulp van een aparte virale vector, waardoor het moeilijk was om te garanderen dat elk gen op het juiste niveau in elke cel tot expressie werd gebracht (actief werd).

In het eerste nieuwe artikel beschrijven Galloway en de haren een manier om het proces te stroomlijnen, zodat huidcellen kunnen worden omgezet in motorneuronen met behulp van slechts drie transcriptiefactoren, plus de twee genen die cellen in een staat van sterke deling brengen.

Bij muizencellen begonnen de onderzoeksters met de oorspronkelijke zes transcriptiefactoren en experimenteerden ze door ze één voor één te verwijderen, totdat ze een combinatie van drie bereikten (NGN2, ISL1 en LHX3) die de omzetting naar hersencellen succesvol kon voltooien.
Toen het aantal genen was teruggebracht tot drie, konden de onderzoeksters één aangepast virus gebruiken om alle drie de genen tegelijk af ​​te leveren. Zo konden ze ervoor zorgen dat elke cel elk gen op het juiste niveau tot expressie bracht. Met behulp van een apart virus leverden de onderzoeksters ook genen die coderen voor p53DD en een gemuteerde versie van HRAS. De daarbij horende eiwitten zorgen ervoor dat de huidcellen zich vele malen delen voordat ze beginnen te veranderen in neuronen, wat zorgt voor een veel hogere opbrengst ruim duizend uit een somatische cel.

“Als je de transcriptiefactoren op echt hoge niveaus in niet-delende cellen tot expressie zou brengen, zouden de herprogrammeringssnelheden echt laag zijn, maar hyperdelende cellen zijn ontvankelijker. Het is alsof ze zijn beter in staat voor conversie zijn en dan worden ze veel ontvankelijker voor de niveaus van de transcriptiefactoren,” zegt de onderzoekster.
De groep ontwikkelde ook een iets andere combinatie van transcriptiefactoren waarmee ze dezelfde directe omzetting konden uitvoeren met menselijke cellen, maar met een lagere efficiëntiegraad: tussen de 10 en 30%, schatten de onderzoeksters. Dit proces duurt ongeveer vijf weken, wat iets sneller is dan de cellen eerst om te zetten in stamcellen en ze vervolgens om te zetten in neuronen.

Implanteren

Nadat de onderzoeksters de optimale combinatie van genen voor toediening hadden gevonden, gingen ze aan de gang om de beste manieren te vinden om deze toe te dienen.
Ze probeerden drie verschillende afleveringsvirussen uit en ontdekten dat een retrovirus de meest efficiënte conversiesnelheid bereikte. Het verminderen van de dichtheid van cellen die in de schaal werden gekweekt, hielp ook om de algehele opbrengst van motorneuronen te verbeteren. Dit geoptimaliseerde proces, dat ongeveer twee weken duurt in muizencellen, bereikte een opbrengst van meer dan 1000%.

Samen met collega’s van universiteit van Boston testten de onderzoeksters vervolgens of deze motorneuronen succesvol in muisjes konden worden getransplanteerd. Ze brachten de cellen naar een deel van de hersenen dat bekendstaat als het Corpus striatum, dat betrokken is bij aansturing van bewegingen en andere functies.
Na twee weken ontdekten de onderzoeksters dat veel van de ingebrachte hersencellen het hadden overleefd en verbindingen leken te hebben gevomrd met andere hersencellen. Toen ze in een schaaltje werden gekweekt, vertoonden deze cellen meetbare elektrische activiteit en calciumsignalering, wat er op wijst dat ze met andere neuronen kunnen communiceren. De onderzoeksters hopen nu de mogelijkheid te onderzoeken om deze neuronen in het ruggenmerg te implanteren.

ALS

Het MIT-team hoopt ook de efficiëntie van dit proces voor de conversie van menselijke cellen te vergroten, wat de aanmaak van grote hoeveelheden neuronen mogelijk zou kunnen maken. Deze neuronen kunnen worden gebruikt voor de behandeling van verwondingen aan het ruggenmerg of ziektes die de motoriek aantasten, zoals ALS. Het verhaal vertelt niet of met de gebruikte transcriptiefactoren ook andere gerijpte cellen zijn om te zetten in andere typen cellen, maar de leek(=as) vermoedt dat dat hoogstwaarschijnlijk alleen opgaat voor het omzetten van huidcellen in motorische zenuwcellen.

Bron: phys.org