Simpele manier om cel te bewerken

Met behulp van een paar eenvoudige ingrediënten kunnen stamcelbiologen genetische fouten in de cel herstellen.

Kweken van menselijke embryonale stamcellen in het Hubrecht Instituut. De kleuringen bewijzen dat de nieuwe iTOP-manier om de het DNA te bewerken het groeipotentieel van de cellen niet schaadt. Foto’s Cell

Onderzoekers van het Hubrecht Instituut in Utrecht hebben een manier gevonden om levende cellen te dwingen een eiwit of ander groot molecuul in zich op te nemen. Gisteren verscheen een artikel van maar liefst dertig pagina’s over de nieuwe methode in het wetenschappelijke vakblad Cell.

Een doorbraak, want de methode biedt „een heel elegante manier om genetische ziektes te bestuderen of misschien wel te behandelen”, zegt ontdekker Niels Geijsen (43), hoogleraar regeneratieve geneeskunde bij het Hubrecht Instituut.

Het recept is verrassend simpel: plaats cellen in een vloeistof met het eiwit dat erin moet, en geef ze een korte behandeling met zout en het stofje sulfo-betaïne. „Een procedure van een uurtje”, zegt Geijsen. „Het werkt veel beter dan wij ooit hadden kunnen bedenken. Het blijkt een fantastische methode om genen te corrigeren.”

Het is een onderzoek waaraan Geijsen en zijn Argentijnse postdoc Diego d’Astolfo bijna vijf jaar hebben gewerkt. „Dit hoop je als onderzoeker toch zeker eens in je leven mee te maken”, zegt Geijsen. „Geweldig leuk dat we dit nu eindelijk kunnen publiceren.”

De twee Hubrecht-onderzoekers hebben wereldwijd octrooi aangevraagd op hun vinding, die zij iTOP (induced transduction of protein) noemen. Binnenkort start er vanuit het Hubrecht Instituut een klein bedrijfje dat de toepassing verder zal ontwikkelen. „Ik ben te verknocht aan het academisch onderzoek om mee te gaan”, zegt Geijsen, „Maar als wetenschappelijk adviseur zal ik wel mijn input aan de verdere ontwikkeling blijven geven.”

Hoe werkt de techniek om eiwitten in de cel te brengen?

Geijsen: „Vergelijk het met gedwongen laten eten van kinderen. Neus dichtknijpen, dan gaat de mond vanzelf open. Zo gaat het ook met de cel. Door het zout in zijn omgeving slaat de cel alarm. De cel krimpt doordat water uit de cel door het osmotisch verschil naar buiten lekt. Daar moet de cel iets aan doen, anders gaat hij dood. Daarom neemt hij willekeurig ‘happen’ van de vloeistof in zijn omgeving, inclusief de eiwitten die daar in zitten. Er ontstaan grote blaasjes in de cel die waarschijnlijk knappen of oplossen, waarmee het eiwit binnenin de cel belandt. We denken dat het sulfo-betaïne daarbij helpt. Dat molecuul is aan een kant waterafstotend en aan de andere kant waterminnend. Het fungeert als een soort kogellagertje dat om het eiwit gaat zitten, waardoor het door het membraan kan floepen. Het werkt met alle tot nu toe geteste eiwitten en ook met alle verschillende soorten cellen die we getest hebben, inclusief stamcellen.”

De techniek kwam voort uit een toevalsbevinding. Hoe ging dat?

„In 2001 werkte ik als postdoc bij het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology. Diverse Amerikaanse politici kregen in die tijd poederbrieven toegestuurd, met antrax erin. Er vielen doden bij. Ik verbaasde mij erover dat een klein beetje bacterieel poeder zo giftig kon zijn. Ik las in de literatuur dat de dodelijke kracht van de miltvuurbacterie afhankelijk is van twee eiwitten. Afzonderlijk zijn die eiwitten nauwelijks giftig, je kunt er bij wijze van spreken kilo’s van eten zonder dat er iets gebeurt, maar in combinatie is een dosis van enkele picogrammen al dodelijk. Het ene eiwit gaat in de celwand zitten en vormt daarin poriën waardoor het andere eiwit, het eigenlijke toxine, kan binnendringen en van alles in de cel kapotmaakt.”

„Ik dacht: als die miltvuurbacterie er zo in slaagt heel efficiënt het toxine in de cel te brengen, misschien kunnen we dat systeem wel ombuigen om zo kunstmatig nuttige eiwitten in cellen te brengen. Toen ik in 2010 terugkwam naar Nederland, ging ik dat uitzoeken. In Utrecht begon mijn postdoc Diego D’Astolfo met experimenten, en negen maanden later kwam hij enthousiast met de grafieken die aantoonden dat het werkte; een eiwit gekoppeld aan een ongevaarlijk deel van het antrax-toxine leek door het porievormende antrax-eiwit efficiënt de cel in te worden geloodst. Maar bij controles bleek dat het eiwit naar binnen ging als géén porievormend eiwit aanwezig was. De truc met antrax-eiwitten leek overbodig!”

„Ik ben zo blij dat we het hele project toen niet in de prullenbak hebben gegooid. We dachten: het moet iets zijn in de buffervloeistof de wij gebruikten om de eiwitten in oplossing te houden. We herhaalden de experimenten waarbij we telkens een ingrediënt weghaalden. Zo kwamen we erachter de het effect leunde op twee stoffen: keukenzout en een hulpstof om het eiwit in oplossing te houden, een zogeheten non-detergent sulfo-betaïne.”

Wat is het voordeel van iTOP boven bestaande technieken?

„Er komen nieuwe mogelijkheden om heel precies ziekteprocessen in de cel bij te sturen. Eiwitten zijn heel erg specifiek in de taken die ze uitvoeren, dat betekent dus ook heel weinig bijwerkingen. Het zijn de werkpaarden van de cel.”

Welke toepassingen zijn er voor de technologie?

„Het spannendst is dat hiermee mutaties in genen kunnen worden gerepareerd. We deden al proeven waarbij we het enzym Crispr Cas in de cellen brachten. Crispr Cas is echt de ontdekking van deze eeuw; het enzym knipt DNA precies op de plaatsen die je wilt, aan de hand van een kort stukje RNA dat je erbij stopt. Met Crispr-Cas kunnen we een gen dat problemen geeft uitzetten, of juist zodanig knippen dat het eiwit weer goed werkt.

„Om Crispr-Cas in de cel te krijgen was tot nu toe gentherapie met een virus nodig. Dat staat medische toepassingen in de weg. Virussen zijn niet heel efficiënt in het infecteren van stamcellen en zijn moeilijk te doseren, met onvoorspelbare gevolgen. Voordeel van alleen eiwit inbrengen is ook dat het effect heel kortdurend is. Als het eiwit door de cel wordt afgebroken, stopt het vanzelf.”

Zitten er ook nadelen aan het inbrengen van eiwitten?

„Na een zoutshock stoppen cellen meestal met delen. Dat is onhandig als je gerepareerde cellen aan patiënten wil toedienen. Maar dat bleek eenvoudig te verhelpen door stoffen toe te voegen die de zoutschok bekorten. Glycerol en glycine bleken daarvoor heel geschikt: met deze stoffen erbij behielden de cellen hun delingsvermogen.”

„De effectiviteit en veiligheid zal nog uitgebreid beoordeeld moeten worden. Er is een heel traject van bewijs nodig om dit in de kliniek te krijgen. In het laboratorium werkt het vooralsnog uitstekend. In menselijke stamcellen hebben we hiermee met succes een gen uitgeschakeld.

„Na de eerste ronde was 23 procent van de behandelde cellen veranderd, maar na de tweede ronde wel 70 procent van alle cellen. De efficiëntie die wij in onze proeven haalden, is zeventig keer beter dan met andere methoden.”

Welke toepassing ligt het het meest onder handbereik?

„We denken aan de behandeling van een erfelijke stapelingsziekte in de lever. Bij deze aandoening kunnen levercellen door een gendefect het enzym Alfa 1 anti-trypsine niet langer uitscheiden. Uiteindelijk hebben patiënten een levertransplantatie nodig.

„Het liefst zouden we dit gen repareren, maar second best is het gen uitzetten. Dan is in ieder geval het leverprobleem opgelost. We zouden dat kunnen doen door levercellen van de patiënt eruit te halen, te behandelen en weer terug te geven. De gerepareerde levercellen zullen uiteindelijk vanzelf de overhand krijgen in de lever.”