Van één stamcel naar een mini-orgaan in twintig dagen

Het begon met een stamcel uit een darm, vijf jaar geleden. Nu kunnen er uit die cellen minidarmpjes gekweekt worden. Het spannende verloop van het onderzoek, in vijf stappen.

1 Het onderzoek naar organoïden begon toen Clevers er zes jaar geleden als eerste in slaagde stamcellen van de darm te isoleren (Nature, 25 oktober 2007). Deze piepkleine celletjes liggen verstopt diep in de darmwand en bleven daarom lange tijd ongrijpbaar. Clevers ontdekte een eiwit dat alleen in de stamcellen aanwezig is, maar niet in de andere darmcellen. Door het eiwit Lgr5 te gebruiken als uniek kenmerkend vlaggetje, werd het kinderlijk eenvoudig om de stamcellen te vinden tussen alle andere darmcellen. De truc was Lgr5 te kleuren met een fluorescerend antilichaam. Een celsorteermachine pikte daarna eenvoudig de gekleurde cellen eruit. „Het resultaat: een honderd procent zuivere cultuur van orgaanspecifieke stamcellen”, zegt Clevers nu tevreden. „Dat was niemand eerder gelukt.”

2 Die ontdekking heeft een heel nieuw onderzoeksveld geopend, want de merker Lgr5 bleek ook geschikt om de stamcellen van allerlei andere organen op te sporen.

Onderzoekers kregen zo volwassen stamcellen in handen van hersenen, nieren, lever, netvliezen, maag, alvleesklier, borsten, haarfollikels, eierstokken, bijnieren en de huid. Het zustermolecuul Lgr6 bleek kenmerkend voor stamcellen in hersenen, longen, borsten, haarzakjes, en huid. Het gaat hier om volwassen stamcellen, ongedifferentieerde cellen dus waaruit nieuwe weefsels groeien, maar die toch al zo gespecialiseerd zijn dat ze nog maar een type weefsel kunnen maken. Elk orgaan heeft zijn eigen stamcel.

3 De groep van Clevers toonde twee jaar later aan dat het stamcelvlaggetje Lgr5 ook aanwezig was in darmtumoren van muizen (Nature, 29 januari 2009). „We zagen het in het deel van de tumor waar de cellen heel snel delen, de groeifractie. In feite waren hier dus stamcellen de kwaaie rakker, verantwoordelijk voor de snelle groei en de uitzaaiing van tumoren”, aldus Clevers. De ‘kankerstamcel’ werd een begrip.

Nadat Amerikaanse onderzoekers ontdekten dat de stamcelmerker Lgr5 een receptoreiwit is dat reageert op het eiwit R-spondin (PNAS, 21 juni 2011), was de weg vrij om de orgaanspecifieke stamcellen te kweken. „R-spondin blijkt de stamcellen van allerlei organen in het lichaam te activeren. Wat epo is voor beenmergcellen dat is R-spondin voor de stamcellen van organen”, aldus Clevers. R-spondin bleek de cruciale factor die voorkomt dat stamcellen zelf differentiëren, waardoor ze zouden verdwijnen.

4 Ondertussen had Toshiro Sato, een Japanse gastonderzoeker in het Hubrecht Instituut, in een experiment bij muizen laten zien dat de stamcellen van de darm elke 24 uur delen (Cell, oktober 2010). Bij muizen houden stamcellen het drie jaar lang vol om elke dag te delen. „Een stamcel die duizend keer onafgebroken deelt, dat hadden we niet voor mogelijk gehouden”, zegt Clevers. „Tot dat moment dachten we dat stamcellen slechts af en toe deelden en ook dat er een eind was aan het aantal delingen. Maar bij de mens komt het neer op 95.000 delingen van de stamcellen in de darm.”

5 „Eerst leek het onderzoek van Sato niet meer dan een curiositeit”, zegt Clevers, „een grappig technisch hoogstandje, dat biologen graag aan elkaar laten zien.” Maar er zat meer in, was al snel het idee. Als het schier oneindig delen van stamcellen goed gaat in het lichaam, dan moet dat ook goed gaan in plastic, dachten Clevers en zijn team.

Met hun ervaring als moleculair biologen wisten ze precies welke ingrediënten nodig waren om stamcellen in conditie te houden: behalve R-spondin waren dat de groeifactor EGF en het eiwit Noggin. Ze lieten de celklompjes groeien in een gel, om te voorkomen dat ze zich als een platte pannekoek zouden uitspreiden op de bodem van het kweekbakje. ‘Zwevend’ in de gel groeien ze mooi driedimensionaal.

Eén enkele stamcel vormde in twintig dagen een compleet mini-orgaantje. „Het werden zelforganiserende minidarmpjes, gemaakt van alle soorten cellen die je normaal in de darmwand vindt”, zegt Clevers. „De uitstulpingen bleken de crypten. Net als in de intacte dunne darm vormen stamcellen van hieruit in hoog tempo nieuwe cellen die na vier dagen alweer doodgaan en loslaten in de holte. Als je een paar van die bolletjes op een rijtje dicht achter elkaar legt, versmelten ze en vormen ze vanzelf een langgerekte buis, waardoor ze nog meer op een echte darm lijken.”

Groter dan een paar millimeter worden de orgaantjes echter niet, want dan krijgen de cellen niet voldoende zuurstof meer. Immers, minidarmpjes bestaan alleen uit epitheelcellen, en missen dus de kleine bloedvaatjes die normaal in de darmwand de zuurstofvoorziening verzorgen.

    • Sander Voormolen