In de darmkwekerij

Naast embryonale stamcellen, die nog alles kunnen worden, zijn er ook stamcellen die al gespecialiseerd zijn voor één orgaan. Medisch bioloog Hans Clevers kweekte die voor het eerst.

Als je door de muizen van Hans Clevers zou reizen, zou je overal groene lichtjes tegenkomen. Binnenin hun darm, uit alle holtes tussen hun darmvlokken gloeit dat groene licht. In hun lever en hun alvleesklier zitten groene puntjes. In de bekleding van hun maag ook. In de hersenen, vooral in de hersenstam, zitten wat vage groene vlekken. En kijk je in de huid van de muis, bij de haarwortels, dan zie je ook weer groen.

De meeste groene lichtjes in de muis komen uit stamcellen, denkt Clevers (1957). Hij maakte de muis, waarin een gen voor een groenlichtgevend eiwit is gekoppeld aan een gen (Lgr5) dat alleen in stamcellen actief is. Met dat groene licht maakt de hoogleraar en directeur van het Hubrecht Instituut in Utrecht de stamcellen van allerlei organen zichtbaar: darmstamcellen, alvleesklierstamcellen, enzovoorts. Het zijn de cellen waaruit, een heel leven lang, alle weefsels van dat orgaan groeien. Zijn mensen kunnen die stamcellen ook isoleren en sorteren, zodat er in een kweekbakje alleen maar stamcellen van een bepaalde soort zitten. Het is alsof je een zakje darm- of leverzaad in handen hebt.

En ten slotte: bij sommige stamcellen lukt het al om er een ‘mini-orgaan’ uit te laten groeien. Vorig jaar publiceerde het Utrechtse lab in Nature over een ‘minidarm’ van een paar millimeter, vorige maand kwam het bericht over een minimaag. En er komt meer aan. Een publicatie over een in het lab gegroeid stukje alvleesklier – weliswaar onrijp, niet functioneel – is in de maak, de leverstamcel wordt gekweekt. Het lab van Clevers heeft dus de wind mee, zegt hij. “Alles wat we proberen, werkt. Dat is ook wel eens anders.”

NUTTELOOS

Volwassen cellen delen zich nog maar enkele tientallen malen, dan gaan ze dood. Voor onderzoek naar het ontstaan van ziektes, of voor weefselkweek, heb je er weinig aan. Vandaar de aandacht voor stamcellen. Die delen en ontwikkelen zich in principe wél eindeloos.

Veruit de bekendste zijn embryonale stamcellen. Dat zijn stamcellen die alleen bestaan in een embryo van een paar dagen oud, en zich nog tot alle weefsels kunnen ontwikkelen. Ze werden in 1998 voor het eerst uit menselijke embryo’s geïsoleerd, en kregen en krijgen sindsdien veel aandacht. Die kun je tot in lengte van dagen doorkweken. En je kunt ze sturen, zodat ze zich tot een bepaald weefsel ontwikkelen.

ONGRIJPBAAR

Maar er zijn ook stamcellen die lager in de hiërarchie staan. Die zijn in principe ook te kweken, maar maken maar één orgaan. Handig, want van zo’n stamcel tot een werkend orgaan is het maar een kleine stap. Die stamcellen waren echter lang ongrijpbaar, vertelt Clevers. “Er waren maar twee van die stamcellen die überhaupt goed gedefinieerd waren.” De bekendste zijn beenmergstamcellen. Die maken bloed. Je kon beenmerg transplanteren, om mensen met leukemie en andere bloedziekten te genezen. En sinds de jaren tachtig lukt het om opperhuid in het lab te laten groeien. Er worden brandwonden mee behandeld.

“Voor de nier, de lever, de darm hadden we de stamcellen niet”, gaat Clevers verder. “Men vermoedde het bestaan van stamcellen in die organen wel, maar we zagen ze niet. Wij, en een paar andere labs, hebben daar de afgelopen jaren verandering in gebracht.”

Clevers zit in Utrecht in het type kamer dat alle gevestigde wetenschappers hebben. Een vergadertafeltje vol wetenschappelijke publicaties, en een muur met oorkondes, een tiental.

Twee deuren verder begint het lab. Daar staan duizenden glazen flessen op planken en koelkasten. In dat laboratorium groeien nu al twee jaar de stukjes darm waarmee Clevers’ groep vorig jaar in Nature stond.

De Utrechtse hoogleraar vertelt enthousiast over de mensen op zijn lab. Hij had, na zijn werk als postdoc aan Harvard, gemakkelijk in de Verenigde Staten kunnen blijven. Maar hij werkt graag in Nederland. “De financiering is, als je eenmaal bij de geslaagde onderzoekers hoort, goed geregeld. En ik vind de kwaliteit van onze jonge mensen ontzettend goed. Ze nemen niks voetstoots aan, zijn eigenwijs. Als ik in het buitenland kom, vallen de Nederlanders altijd op. Altijd druk, altijd een mening.”

Clevers loopt naar de computer om een plaatje van de binnenkant van een muizendarm te laten zien. Daar zitten de groene, lichtgevende cellen in. Die groene kleur wijst op activiteit van een bepaald gen. En dat gen, Lgr5 genaamd, is zijn belangrijkste vondst. “Twee jaar geleden hebben we ontdekt dat de activiteit van dat gen een heel belangrijke marker is voor stamcellen in de dunne en dikke darm.”

RUIMTE

De dunne darm is bekleed met darmvlokken: langgerekte uitstulpingen of villi. Ze zijn een halve millimeter hoog en vergroten het oppervlak van de darm, zodat er veel mogelijkheid is om voedsel op te nemen. Tussen die darmvlokken in liggen cellen waarin Lgr5 actief is: stamcellen.

Clevers wijst op een microscoopfoto van dat geplooide darmoppervlak. „Het zijn heel dunne celletjes. We hadden ze nooit eerder gezien, en ik kijk toch al tien jaar naar dat soort plaatjes.” Die cellen maken de hele darmvlok. De stamcel deelt zich, en zijn nazaten schuiven steeds verder naar boven. Hij heeft er een Discovery Channel-achtig filmpje van laten maken, met glanzende cellen in pasteltinten. “In twee, drie dagen rijpen ze uit tot verschillende celtypen, na vier dagen zijn ze boven, en na vijf dagen zijn ze dood.” Darmvlokken slijten snel.

Clevers’ groep gebruikte Lgr5 als houvast om de stamcellen uit de darm vrij te maken. Onderzoeker Toshiro Sato vond vervolgens een kweekmethode uit om darmstamcellen te vermenigvuldigen, en ze uit te laten groeien tot ‘minidarmpjes’. Die zien er niet uit als een stuk darm. Het zijn bolletjes, een paar millimeter groot, met de darmvlokken een beetje afgeplat aan de buitenkant. Maar er zitten wel alle vier de celtypen van een darmvlok in.

Clevers speelt met de gedachte om er baby’s mee te behandelen die geboren zijn zonder darmbekleding – een dodelijke ziekte. “Die kinderen redden het maar een paar jaar, op intraveneuze voeding [direct in de bloedbaan – HvS]. Als je onze bolletjes op een plat oppervlak plaatst, gaan ze open en groeien ze gewoon door. Dan groeien ze waarschijnlijk zo de hele darmwand vol. Ik denk dat we ze rechtstreeks in de dunne darm kunnen inbrengen.” Hij heeft het niet geprobeerd. Onderzoekers uit het Utrechtse Wilhelmina Kinderziekenhuis zijn nu wel de kweektechnieken aan het leren in Clevers’ lab.

ALVLEESKLIER

Toch verwacht Clevers dat zijn groep de komende jaren veel zal publiceren, en daarvoor moeten we terug naar de muis met de groene vlekjes. Lgr5, zo blijkt uit die vlekjes, markeert niet alleen darmstamcellen. Het is ook een indicator voor stamcellen in de alvleesklier, in de lever, in de maag, etcetera. En dus zijn de toepassingen veel breder. “Darmtransplantaties zijn geen groot klinisch probleem. Maar kijk je naar de alvleesklier, dan heb je het over miljoenen patiënten.” Met suikerziekte, vooral. Bij diabetici zijn de ‘bètacellen’ kapot die insuline maken. “Er zijn honderden, duizenden labs ter wereld die proberen alvleesklierweefsel te herstellen.”

Het is nieuw om dat te doen vanuit de stamcellen uit de alvleesklier zelf. Zoals gezegd zijn de ‘alvleesklierstamcellen’ ongrijpbaar. De eerste methode om ze te herkennen, werd pas in 2008 gepubliceerd door onderzoekers uit Brussel.

DOORBRAAK

De meeste onderzoekers werken daarom met embryonale stamcellen (ES), of met het moderne alternatief: iPS-cellen. Induced Pluripotent Stem Cells zijn lichaamscellen (meestal bindweefselcellen uit de huid) die door genetische manipulatie de eigenschappen van ES krijgen. De Japanner Shinya Yamanaka bedacht het proces in 2006.

Clevers: “Dat is een geweldige doorbraak, en ik denk dat hij snel de Nobelprijs wint. Je neemt een simpele huidcel, en met een paar genen zet je die om in een stamcel.” Vervolgens kunnen die cellen zich weer tot alle mogelijke weefsels ontwikkelen, zo lijkt het. Die tak van wetenschap heeft dus een grote vlucht genomen. “Op de ISSCR, het grote internationale stamcelcongres, gaat nu wel een derde van de presentaties over iPS.”

DWARSLAESIES

Het Hubrecht Instituut gaat er ook mee beginnen, maar Clevers verwacht dat toepassingen ver weg zijn. “Het is een heel inefficiënt proces. Bij embryonale stamcellen duurde het jaren voordat er toepassingen waren.” Embryonale stamcellen werden in 1998 geïsoleerd, en pas vorig jaar begon in de VS een eerste studie bij patiënten. Het bedrijf Geron ontwikkelde een celtherapie om dwarslaesies te repareren. Maar na een paar maanden moest het van de geneesmiddelenautoriteit weer stoppen, omdat veel proefmuizen intussen cysten ontwikkelden. Dat het kanker was, kon niet worden uitgesloten – en dat is nu juist het grote risico van therapie met ES en iPS-cellen.

Clevers: “Wat wij doen is in principe veel simpeler en veiliger. Je neemt een biopt van de darm of de pancreas, en je kweekt het. Het enige is dat je per weefsel moet bepalen hoe je het aan de gang moet krijgen.” Het doet denken aan iets wat biotechnologen van Harvard in 2008 presteerden. Zij vormden ‘gewone’ alvleeskliercellen om tot bètacellen. Zover is het Utrechtse lab nog niet. De ‘mini-alvleesklier’ die zij maken uit alvleesklierstamcellen die met Lgr5 gemarkeerd zijn, maakt alleen de eiwitten van de jonge alvleesklier.

TALGKLIER

Maar de groene muis heeft meer in petto. Lgr5-stamcellen zitten zelfs in de haarzakjes, vertelt Clevers. En daar zit ook een nauwe verwant van dat eiwit: Lgr6, ontdekte zijn groep recentelijk. Volgende week staat hij ermee in Science. “Die stamcellen zitten wat hoger in de haarfollikel. Ze maken niet alleen de haar, maar ook de talgklier, en de epidermis: de opperhuid. Dat daar stamcellen zitten, was totaal gemist.” Het is moeilijk, zegt hij, om zulke artikelen gepubliceerd te krijgen. In de handboeken staat al waar de stamcellen zitten – en daar ga je tegenin. “Je loopt tegen een enorme muur op. Dan blijkt hoe conservatief de wetenschap kan zijn.”

Vandaar misschien dat hij jonge onderzoekers zo waardeert. Dat de nieuwe studenten te weinig ‘intellectuele bagage’ zouden hebben – hem deert het niet. “Ze zijn ontzettend handig op de computer. Naar mijn ervaring zijn de beste mensen op het lab niet de mensen die negens halen. Het zijn juist de mensen die nét slim genoeg zijn. Mensen die negens halen zijn toch opgevoed met: wat gedrukt staat, is waar. Je kunt beter iemand hebben die dat toch nooit zo serieus genomen heeft.”