De lange speurtocht naar de waterkanalen

Nijmeegse onderzoekers hebben het gendefect ontrafeld van een ernstige erfelijke nierziekte. De ontdekking toont aan hoe urine in de nier wordt geconcentreerd en biedt perspectief op een verbeterde plaspil.

In het Academisch Ziekenhuis van de Katholieke Universiteit Nijmegen vindt al vele jaren onderzoek plaats naar erfelijke nierziekten. Een van die ziekten is nefrogene diabetes insipidus (NDI), een aandoening waarbij de patiënt niet in staat is om zijn aangemaakte voorurine naar behoren te concentreren. In plaats van de normale anderhalve liter scheiden NDI-patiënten dagelijks vele liters urine uit.

Een Nijmeegs team heeft nu een belangrijke stap gezet naar begrip van de moleculaire oorzaken. In een artikel in het nieuwste nummer van Science (1 april 1994, p. 92-95) laten moleculair-bioloog Peter Deen en zijn co-auteurs uit vier vakgroepen zien dat NDI kan optreden als gevolg van een defect in het gen voor een zogeheten waterkanaal, aquaporine-2. Dit kanaal is een eiwitmolecuul dat, na activering door een hormoon, selectief water doorlaat door de celmembraan.

Voor het eerst staat hiermee vast dat de hormonaal gestuurde indikking van de voorurine in de nieren via zulke waterkanalen verloopt. Dat vermoedden veel onderzoekers weliswaar al vele jaren lang, maar niemand wist hun bestaan en werkzaamheid tot dusver hard te maken. Waar de afgelopen decennia een hele menagerie aan andere kanalen (allemaal specifiek doorlaatbaar voor bepaalde ionen en moleculen) kon worden geïsoleerd en gekarakteriseerd, bleven de waterkanalen tot voor kort ongrijpbaar. Sinds 1990 is het onderzoek echter in een stroomversnelling geraakt. Met de Nijmeegse ontdekking is niet alleen verklaard hoe cellen water door hun membranen transporteren, maar gloort er zelfs hoop op een medische toepassing: een plaspil zonder bijwerkingen.

Dubbellaag

Biologische membranen zijn opgebouwd uit een dubbele laag van lipiden, vetachtige moleculen met aan de ene kant een waterminnende (hydrofiele) kop en aan de andere een waterschuwe (hydrofobe) staart. De hydrofobe staarten zoeken elkaar op en bevinden zich daardoor in het binnenste van de dubbellaag, de hydrofiele koppen steken naar buiten, respectievelijk naar de binnen- en de buitenkant van de cel.

Door hun hydrofobe binnenste vormen lipide membranen een lastig te nemen barrière voor ionen (atomen en moleculen met een positieve of negatieve lading) en voor polaire moleculen (verbindingen die elektrisch neutraal zijn maar intern een ladingsverdeling vertonen). Water is een sterk polair molecuul en zou daardoor in theorie slechts zeer langzaam door celmembranen moeten kunnen heensijpelen. In de praktijk valt dit echter reuze mee: watermoleculen kunnen de barrière verrassend vlot nemen, veel gemakkelijker dan andere polaire moleculen en laat staan ionen. Maar hoewel hoog, is de waterdoorlaatbaarheid van biologische membranen bij lange na niet genoeg om het massale transport van water door sommige celtypen te kunnen verklaren.

Neem de cellen in het laatste deel van de nierbuisjes (nefronen), de functionele eenheden van de nier, die het water uit de voorurine weer terug-absorberen (resorberen) naar de bloedslomloop. De nefronen laten extreme hoeveelheden water door. Een gemiddeld paar nieren filtert elke dag zo'n 1800 liter bloed, ofwel zo'n 400 maal het totale bloedvolume. Bij dat filtratieproces komt ongeveer 180 liter plasma terecht in de nefronen. De nefronen, waarvan elke nier er ongeveer een miljoen telt, zijn meanderende buisjes met een lengte van 3,5 tot 5,5 centimeter. Beginnend in de nierschors (het buitenste gedeelte van de nier), maken ze een omweg (de lus van Henle) naar het binnengelegen niermerg, om vervolgens vanuit de schors via verzamelbuizen opnieuw naar het merg te leiden.

De nier heeft als functie zowel het afvoeren van afvalstoffen als van overtollig water. Dat laatste gebeurt door van de 180 liter geproduceerde voorurine de juiste hoeveelheid (meestal zo'n anderhalve liter) te concentreren en als urine af te voeren, een passief osmotisch proces dat voor 90% spontaan verloopt maar voor de rest wordt fijngeregeld door het hormoon vasopressine. In dit concentratieproces wordt dagelijks vrijwel het hele vloeistofvolume van de voorurine (180 liter) door de cellen in de nierbuisjes geresorbeerd.

Al zo'n 25 jaar geleden opperden onderzoekers dat voor die resorptie wel eens speciale waterkanalen verantwoordelijk zouden kunnen zijn, membraaneiwitten die fungeren als specifieke doorlaatsluizen voor watermoleculen en zo bulktransport mogelijk maken. Dat leek geen al te gewaagd idee, omdat celmembranen nu eenmaal volzitten met eiwitten en er vele ionen en moleculen op dergelijke wijze over membranen worden getransporteerd. Als er zo veel typen kanalen zijn, waarom dan ook niet een voor water?

Vage hypothese

Maar waar het onderzoek naar andere membraankanalen vanaf de jaren zeventig een hoge vlucht nam, bleef het idee van de waterkanalen niet meer dan een vage hypothese. Er waren wel indirecte aanwijzingen voor hun bestaan, maar harde bewijzen ontbraken, laat staan dat men ze kon isoleren. “Dat kwam,” legt de Nijmeegse celfysioloog prof. Carel H. van Os uit, “doordat het bijzonder lastig is om watertransport over membranen te meten. Transport van geladen deeltjes kun je meten als een elektrisch stroompje, maar transport van water niet, want water is elektrisch neutraal. Bovendien bestaan cellen voor 70% uit water, zodat je ook geen concentratieveranderingen kunt meten.”

Van Os, een van de co-auteurs van het Science-artikel, was jarenlang een van de weinige onderzoekers in de wereld die in de waterkanalen bleef geloven. Ze aantonen kon alleen maar bij kunstmatig opgewekte gevallen van massaal watertransport, door meting van de volumeverandering van blaasjes, gevormd uit geïsoleerde membraanpreparaten. Het krimpen of zwellen van de blaasjes bleek meetbaar als verandering in de lichtverstrooiing.

Toen dit eenmaal mogelijk was, wierp de groep van Van Os een onorthodoxe techniek in de strijd om de betrokkenheid van een eiwit bij het proces aan te tonen. In samenwerking met het Interuniversitair Reactor Centrum in Delft beschoten ze ingevroren membranen van nefroncellen met energierijke elektronen, met als achterliggende gedachte: hoe hoger de dosis, hoe meer eiwitten er kapot gaan en hoe minder watertransport er mogelijk is na het schieten. De aanpak had succes. Van Os en zijn medewerkers wisten in 1990 langs deze weg te komen tot een ruwe bepaling van de massa van het veronderstelde eiwit: 30.000 dalton (een dalton is ongeveer de massa van een waterstofatoom).

Van Os: “Vanaf dat moment kwam de zaak in een stroomversnelling. In 1991 presenteerden we onze resultaten op een poster tijdens een congres in Amerika. Iemand bekeek die resultaten en zei: 'Ik denk dat ik het eiwit heb waarop jullie hebben geschoten'. Die man was Peter Agre, en het eiwit dat hij had was afkomstig uit een heel andere bron. Het was meegekomen bij de zuivering van Rhesus-antigenen uit de membraan van rode bloedcellen. Het zat in grote hoeveelheden in de membraan, dus Agre concludeerde dat het niet zo maar een verontreiniging was, maar iets moest betekenen. Hij zuiverde het eiwit en hij spoorde het gen op dat ervoor codeert. Het bleek te gaan om een eiwit van 29.000 dalton, een massa die goed spoort met onze ruwe bepaling. Bovendien bleek het ook in veel andere weefseltypen voor te komen, waaronder de nierbuisjes.”

Kortom, er was eindelijk een eiwit in het nefron gevonden dat beantwoordde aan de profielschets van een waterkanaal, het aquaporine-1 zoals het tegenwoordig wordt genoemd. Nader onderzoek wees uit dat het aquaporine-1 alleen verantwoordelijk is voor de 'spontane' (niet-gereguleerde) resorptie van 90% van de voorurine in het eerste deel van het nefron, de lus van Henle. De overige 10% wordt geresorbeerd in de verder stroomafwaarts gelegen verzamelkanalen en staat onder controle van vasopressine.

Het lag voor de hand om te veronderstellen dat deze resterende resorptie wordt verzorgd door een onbekend zusje van aquaporine-1 dat wél door vasopressine wordt gereguleerd. Een erfelijk bepaald defect in dit eiwit of in de regulering ervan zou, in tegenstelling tot een defect in aquaporine-1 (dat immers het overgrote deel van de resorptie voor zijn rekening neemt), niet dodelijk hoeven zijn en ten grondslag kunnen liggen aan de ziekte NDI.

In 1992 vond de Nijmeegse klinisch-geneticus Nine Knoers, geholpen door moleculair-geneticus Bernard van Oost en kinderarts Leo Monnens, precies zo'n erfelijk bepaald defect. Het ging om een defect verantwoordelijk voor de meest voorkomende vorm van NDI, de geslachtsgebonden NDI. Het gewraakte gen bleek te liggen op het X-geslachtschromosoom en te coderen voor de vasopressine-receptor, de moleculaire 'antenne' die vasopressine herkent en in reactie daarop de waterkanalen activeert. Omdat fouten in dit gen zeldzaam zijn, komen ze bij vrouwen nooit in beide X-chromosomen voor. Mannen daarentegen hebben in hun cellen maar één X-chromosoom en kunnen de ziekte bij gebrek aan een gezonde tegenhanger ontwikkelen.

Ratte-DNA

Hiermee was voor het eerst een verband aangetoond tussen NDI en de regulering door vasopressine, maar nog niet een verband met de waterkanalen zelf. Bestonden er misschien ook vormen van de ziekte, herleidbaar tot een defect aquaporine?

In april vorig jaar meldde een Japanse groep dat ze uit ratte-DNA een gen had opgevist voor een tweede soort aquaporine. De Nijmeegse onderzoekers gingen uiteraard meteen kijken of dit zogeheten aquaporine-2 ook bij de mens voorkwam en of het het lang gezochte zusje was. Dat bleek inderdaad het geval. Het menselijke aquaporine-2 gen ligt op chromosoom 12 en wat nog mooier is: het is bij een deel van de NDI-patiënten gemuteerd. Deze patiënten hebben wel een functionele receptor voor vasopressine. Ze danken hun ziekte niet aan een gestoorde hormoonregulatie maar aan een defect in het waterkanaal zelf.

Niet bekend

Voor de herkenning en behandeling van NDI betekent de Nijmeegse ontdekking een belangrijke stap voorwaarts, omdat men de twee vormen nu op genetisch niveau kan onderscheiden, waardoor men een beter erfelijkheidsadvies kan geven en eerder met een effectieve therapie kan beginnen.

Bovendien biedt de ontdekking van het aquaporine-2 uitzicht op de ontwikkeling van een nieuwe generatie plaspillen. Van Os: “Als men een remmer zou kunnen ontwikkelen voor aquaporine-2 en die goed gedoseerd zou weten toe te dienen, dan zou men mensen die teveel vocht vasthouden kunnen helpen. De huidige plaspillen werken weliswaar goed, maar ze geven ook een verstoring van de zoutbalans, een vervelende bijwerking. Remming van aquaporine-2 kent dat euvel in principe niet.”

    • Felix Eijgenraam