Michael Levin (afb: Tuftsuniversiteit)

Salamanders en hagedissen zijn in staat volledig nieuwe lichaamsdelen te laten aangroeien. Vooral de axolotl schijnt in dit opzicht een geweldenaar te zijn, maar ook sommige zoogdieren zijn vrij ‘handig’ in het herstel van onderdelen. Zo groeien bij herten geweien weer aan als ze die hebben afgeworpen. De mens is wat dat betreft maar armzalig uitgerust. In sommige lichaamsdelen, zoals het centrale zenuwstelsel, worden beschadigingen niet eens hersteld maar vervangen door, functioneel onnut, bindweefsel. Voor veel biologen een intrigerend onderzoeksgebied. Zoiets moet met mensen toch ook mogelijk zijn?
Michael Levin van de Amerikaanse Tuftsuniversiyteit is zo’n optimistische bioloog. Hij is niet meteen bezig met het herprogrammeren van het erfgoed in cellen, maar kijkt meer naar wat het lichaam al doet.
In zijn ogen hebben cellen een tot nu toe nog onontdekt herstelvermogen. We moeten alleen de taal nog leren. Een nieuw oog bouwen is veel te complex, maar mogelijk dat we met de juiste signalen het lichaam nieuwe ‘instrumenten’ geeft om dat te doen. Het echte, knap ingewikkelde werk zouden de cellen moeten doen.
Hij ziet een cel als intelligent systeem dat ook in onverwachte omstandigheden adequaat kan reageren. Die ‘intelligentie’ komt vooral tot uiting in samenwerking met andere cellen. Kijk hoe genetisch gezien precies dezelfde cellen van een embryo gaandeweg een organisme vormen dat op elkaar is afgestemd met tientallen of honderden cellen met heel eigen functies. Dat ‘collectieve geheugen’ hoopt Levin te ontraadselen.
“We weten dat cellen met elkaar praten”, zegt ie, “maar we weten nog niet wat ze elkaar vertellen. Dat raadsel moeten we nog oplossen.(…) Bioelektriciteit verbindt cellen in een netwerk dat kan rekenen en herinneringen kan opslaan van veel grotere doelen. De afzonderlijke cellen van een vinger hebben geen idee wat een vinger is en hoeveel vingers je moet hebben, maar de gezamenlijke cellen wel degelijk.”

Ionkanalen

Cellen maken elektrische signalen aan die via openingen in het celmembraan met buurcellen gedeeld worden, de zogeheten ionkanalen. Daardoor kunnen bepaalde geladen deeltjes de cel verlaten, waardoor binnen en buiten de cel de lading verandert. Levin noemt dat de ‘cognitieve lijm’ van een cellensysteem. In de hersens bepalen die signalen hoe we informatie verwerken en hoe we ons door de ruimte bewegen.
In andere delen van het lichaam zijn de signalen een stuk minder fel en vaak over het hoofd gezien, maar vormen ook het collectieve geheugen dat vertelt hoe de structuur er uit ziet en hoe die reageert als die beschadigd wordt. Levin denkt dat als we die code kunnen ontcijferen een stuk dichter bij het begrijpen van de taal komen die nodig is voor herstel van beschadigde onderdelen.

Op dat terrein heeft hij en zijn collega’s al heel wat aardige kennis opgedaan. Zo ontwikkelden ze een rekenmodel om de normale spanningspatronen in kikkerembryo’s te voorspellen en te bepalen dat die patronen worden verstoord door nicotine. Daardoor ontwikkelen de hersens zich niet normaal. Ze vonden ook een manier om die spanningspatronen te herstellen, waardoor de embryo’s in staat waren de schade te herstellen.
De onderzoekers hebben ook de bioelektrische benadering gebruikt voor kankeronderzoek. Bioelektrisch gezien zijn kankercellen losgeslagen van hun (gezonde) buren. Kankercellen gedragen zich individualistisch. Door bepaalde ionkanalen te dichten om de normale bioelektrische patronen te herstellen worden kankercellen weer ‘aangesloten’ bij hun omgeving. Ondanks hun mutaties gaan die zich weer ‘normaal’ gedragen. Levine: “Ze maken niet alleen afdrukken van zichzelf.”
Bij padden konden ze op die manier in een vroeg stadium kanker vaststellen. Wellicht dat in dat stadium de bioelektrische aanpak iets kan betekenen.

Nieuwe kikkerpoot

Levin met onder meer collega David Kaplan bleken met een apparaat en een medicijnprutje bedoeld om de ionkanalen te beïnvloeden in staat een (volwassen) kikker een nieuwe poot te ‘geven’. Dat herstelvermogen hebben kikkers normaal niet. Dat apparaat had daar maar 24 uur voor nodig, tenminste om het herstelproces op gang te brengen.
Uiteraard wordt dat geheimzinnige apparaat meteen ondergebracht bij een bedrijf dat de onderzoekers hebben opgericht (Morphoceuticals). Ze hebben het dan over het bioelektrische reprogrammeren van de biologie. Volgens Levin gebruiken ze hetzelfde ‘doorgeefluik’ dat cellen ook gebruiken. “Door die ionkanalen te veranderen kunnen we dat als een soort piano bespelen om verschillende elektrische uitkomsten te krijgen.”

Bij kikkers kunnen de onderzoekers al groepen cellen overtuigen om ogen, harten en ledematen te maken. Platwormen, die een magistraal herstelvermogen hebben, kunnen ze meer koppen geven, zelfs de kop van een aanverwante soort.
Spanningspatronen spelen ook bij veroudering een rol, maar welke rol die daarbij spelen weten Levin en de zijnen vooralsnog niet. “Nu hebben al die verschijnselen met hetzelfde proces te maken. Daar proberen we meer van aan de weet te komen”, zegt medeonderzoeker Patrick McMillen.
Vooral buiten het centrale zenuwstelsel liggen de zaken erg subtiel en zijn de signalen traag. “We proberen middelen te vinden die het ons mogelijk maken dat soort signalen te zien”, zegt McMillen. Hij heeft er alle vertrouwen dat het hun lukt de bioelektrisch code in zich ontwikkelende dieren te ontcijferen.

Cellen zijn ingewikkelde probleemoplossende entiteiten en met nieuwe opdrachten kunnen ze dingen doen die ze voorheen nooit deden. Daarvan zijn de onderzoekers overtuigd. Het levende bewijs daarvan zijn de biobots, cellen die, bevrijd van hun buren, onafhankelijk kunnen opereren.
Die blijken ongelooflijke en onverwachte dingen te kunnen doen. Zo hebben ze klontjes spier- en huidcellen van de Afrikaanse klauwkikker (Xenopus laevis) samen met haarachtige cilia, trilhaartjes die normaal slijm over de kikkerhuid verspreiden, in een petrischaaltje aan de wandel gekregen om puinbrokjes bij elkaar te vegen.

Antrobot met cilia (afb: Gizem Gumuskaya Tuftsuni)

Zouden dat soort biobots ook iets voor mensen kunnen betekenen, bijvoorbeeld bij het herstellen van beschadigd weefsel van het centraal zenuwstelsel? Gizem Gumuskaya heeft daar wel vertrouwen in. Onlangs heeft hij in het kader van een promotieonderzoek daar een artikel over geschreven. Antrobots noemt hij die bioconstructies. “Misschien kunnen we cellen van mensen nemen en persoonlijke antrobots maken om zenuwschade te herstellen. Daar werken we aan.”
Die antrobots zouden dan herstelmoleculen moeten meenemen of kankercellen verjagen, de klontering in aderen wegwerken en wat al niet meer. Levin: “We hebben al aangetoond dat we zenuwschade kunnen repareren. Dat is een begin. We zij nog niet eens met programmeren begonnen.” Ook Levin ziet grote mogelijkheden in de bioelektrische benadering.

Bron: Tuftuniversiteit, phys.org