Bonsaihersens in een lab-schaaltje

Hersenonderzoek

Het speuren naar de biologische oorzaken van psychiatrische aandoeningen wordt een stuk makkelijker nu wetenschappers ook klompjes hersenweefsel in een schaaltje kunnen kweken.

Mini-breintjes in een kweekbakje. De zwarte stipjes zijn pigmentvlekken met neuromelanine. Foto Genome Institute of Singapore, A*STAR

Oh, ons mysterieuze brein. In levende, werkende toestand was het eeuwenlang nauwelijks mogelijk om die onmetelijk ingewikkelde kluwen in zijn ondoordringbare schedelvesting te bestuderen. Tot nu. Sinds kort kunnen wetenschappers klontjes levend menselijk hersenweefsel kweken. Ook dat van u, als dat nodig is. Of van patiënten met autisme of de ziekte van Alzheimer. En zelfs van een Neanderthaler.

„Wij psychiaters en neurologen weten veel minder van de biologie van het orgaan dat wij bestuderen dan alle andere specialisten in het ziekenhuis”, zegt Steven Kushner. Met een armzwaai wijst hij naar de andere verdiepingen van het Erasmus MC in Rotterdam, waar hij hoogleraar biologische psychiatrie is.

„Dat komt allereerst omdat het brein veel gecompliceerder is dan andere organen”, legt Kushner uit. „Er zijn honderden celtypes die op allerlei manieren met elkaar verbonden zijn - een zenuwcel maakt verbinding met 10.000 andere. Maar de belangrijkste reden is: wij hebben nagenoeg geen toegang tot levend hersenweefsel, al helemaal niet tot dat van gezonde mensen. Het enige wat we konden bestuderen waren de hersenen van overleden mensen. Die technische beperking heeft ons enorm geremd.”

Embryonale stamcellen

Maar in het afgelopen decennium is daar verandering in gekomen. In korte tijd zijn drie baanbrekende technieken uitgevonden in de biomedische wereld, die elkaar versterken en de snelheid van nieuwe ontdekkingen vooruit stuwen.

Zo kweek je minibreintjes uit een huidcel NRC

Ten eerste kunnen we tegenwoordig embryonale stamcellen kweken. Dat zijn de ongespecialiseerde oercellen van een pasbevrucht embryo, waaruit alle mogelijke organen en weefsels nog kunnen ontstaan. De Utrechtse geneticus Hans Clevers ontwikkelde een revolutionaire kweekmethode om met stamcellen mini-orgaantjes te maken, zogenoemde organoïden: kleine stukjes darm, lever, long, alvleesklier, en sinds kort nier.

Ten tweede bleek een paar jaar geleden dat gewone, volwassen cellen, bijvoorbeeld uit onze eigen huid, eenvoudig teruggeprogrammeerd kunnen worden naar zo’n stamcel. Door in een gewone cel vier extra genen in te brengen, keert hij terug naar die zogeheten ‘pluripotente’ staat: een vorm van waaruit de cel weer elk weefsel kan worden. Die ontdekking leverde de Japanse stamcelonderzoeker Shinya Yamanaka in 2012 de Nobelprijs Geneeskunde op. Sindsdien is de techniek voor het herprogrammeren nog verder verbeterd.

Drijvende klompjes

Door deze twee technieken te combineren ontdekte de Amerikaanse neurobiologe Madeline Lancaster in 2013 haast per toeval een manier om brein-organoïden te maken. Ze nam cellen uit de huid van een proefpersoon, bracht die terug naar de pluripotente staat, en stimuleerde ze vervolgens om uit te groeien tot hersencellen. Haar bedoeling was om ze te laten groeien op de bodem van een kweekbakje, maar de cellen hechtten niet goed en vormden drijvende klompjes. Ze had die weg kunnen gooien – experiment mislukt – maar dat deed ze niet. Gecombineerd met de kweekmethode van Clevers dobberden er na een maand klompjes cellen ter grootte van een kleine erwt in haar bakje: kleine replica’s van de voorkant van het hersenweefsel van een tien weken oud embryo. Bonsai-breintjes.

„Het is ronduit indrukwekkend”, zegt Kushner, terwijl hij op een beeldscherm laat zien hoe de klompjes er onder een microscoop uitzien. „In die brein-organoïden zie je alle verschillende lagen van de hersenschors terug, en allerlei verschillende soorten cellen. Ze organiseren zich net zoals in het echt. Soms zie je zelfs de aanzet van ogen, zoals in een embryo. De zenuwcellen gedragen zich op dezelfde manier als echte zenuwcellen, ze geven elektrische signalen door en reageren vergelijkbaar op prikkels.”

Met een ongelimiteerde hoeveelheid menselijk hersenweefsel tot hun beschikking kunnen onderzoekers hun geluk niet op. In labs over de hele wereld worden ze gekweekt, ook in Nederland. De kweekhersenen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om geneesmiddelen te testen en de hersenontwikkeling te bestuderen. Mini-versies van verschillende hersengebieden worden zelfs gecombineerd om te onderzoeken hoe die zich met elkaar verbinden.

Er kan nu hersenweefsel gekweekt worden van patiënten zelf

Maar wat de techniek het meest bijzonder maakt is dat nu hersenweefsel gekweekt kan worden van patiënten zelf. Onderzoekers kunnen een brein-organoïde kweken met zieke cellen van een patiënt, en kijken wat er in de ontwikkeling anders gaat dan bij eentje gemaakt van gezonde cellen. Zo vergeleek Madeline Lancaster haar kweekbreintjes van gezonde mensen met die van patiënten met microcefalie, een aandoening waarbij het brein en het hoofd veel te klein blijft. Hun breinkweeksels bleven ook kleiner.

Schizofrenie en alzheimer

De brein-organoïden zijn flink gebruikt bij het bestuderen van het zikavirus dat in 2015 uitbrak en uitgroeide tot een epidemie in Midden- en Zuid-Amerika. Dankzij dit onderzoek is duidelijk geworden dat het virus bij baby’s van besmette zwangere vrouwen microcefalie kan veroorzaken. Andere onderzoeken richten zich op kweekbreintjes van mensen met autisme, schizofrenie of de ziekte van Alzheimer.

In het Rotterdamse lab van Kushner staan de hersenbolletjes tegenwoordig standaard in de kweekstoof. „Je kunt ze meer dan een jaar in leven houden”, zegt hij. Zijn lab gebruikt ze om eindelijk te kunnen onderzoeken wat er gebeurt in de hersenen van mensen met psychiatrische aandoeningen, zoals schizofrenie.

In mei publiceerde hij een nieuwe methode om de breinklontjes te kweken met astrocyten, steuncellen die van nature ook in het brein zitten. Op die manier maakte hij brein-organoïden van gezonde mensen en mensen met een erfelijke vorm van schizofrenie.

„Het is bekend dat bij mensen met schizofrenie de vorming van witte stof in de hersenen verstoord is”, zegt Kushner. „Dat is het isolerende materiaal dat zenuwcellen rondom hun lange uitlopers vormen, zodat de elektrische signalen zich snel van de ene naar de andere kant kunnen verplaatsen. Als de witte stof niet goed is gevormd, zijn de verbindingen en de communicatie tussen hersencellen slechter. De vraag is: is dit de oorzaak van de symptomen van schizofrenie, zoals wanen en hallucinaties? Is het een gevolg? Of heeft het er niets mee te maken?”

In de kweekbreintjes van zijn patiënten zag Kushner dat de cellen waaruit de makers van de witte stof moeten ontstaan, zich niet goed ontplooien. Hetzelfde gebeurde als hij in de cellen van gezonde mensen het afwijkende gen van de patiënten inbracht, en die tot hersen-organoïde liet opgroeien. „Het probleem lijkt dus voor mensen met dit type schizofrenie in die cellen te liggen.”

Dat inbrengen van afwijkende of juist gezonde genen is de laatste jaren vele malen makkelijker geworden dankzij een derde baanbrekende techniek in de biomedische wereld. Dat kan met de genetische reparatiekit CRISPR-Cas, waarmee wetenschappers heel gericht in een cel fouten in het DNA kunnen wegknippen of herstellen.

Moeilijk te vergelijken

Hersen-organoïden zijn dus een fantastische nieuwe bron van informatie. Maar de techniek is nog jong, en er zijn nog allerlei uitdagingen. De hersenbolletjes ontwikkelen zich steeds net iets anders, en zijn daardoor nog moeilijk met elkaar te vergelijken. Maar het grootste obstakel is dat ze bloedvaten missen, waardoor er geen voeding en zuurstof in diepere lagen kan komen. Hierdoor blijven de bolletjes in hun groei steken op maximaal vier millimeter, en sterft de kern van het bolletje af.

Voor dat laatste probleem beschreven onderzoekers in het lab van de Amerikaanse hersenonderzoeker Fred Gage een oplossing, in april van dit jaar in Nature Biotechnology. Ze implanteerden een organoïde van menselijke hersencellen in een holte in een muizenbrein. Het mensenbreinweefsel kreeg bloedvaatjes en raakte doorbloed, zodat de kern niet afstierf. De hersencellen ontwikkelden zich verder dan in de kweekschaal.

„Die ontwikkeling zal waarschijnlijk nog verder gaan als het in een muizenembryo op de plek van het brein wordt geïmplanteerd. In een embryo circuleren betere groeistoffen daarvoor”, zegt Kushner. „Misschien krijg je dan wel een werkend menselijk minibrein in een muis. Dat roept natuurlijk allerlei ethische vragen op. Daarom trekken we in de Europese Unie en de Verenigde Staten een grens: we mogen geen organoïden implanteren in ongeboren muizen.”

Zeventien filosofen, wetenschappers en ethici riepen in april van dit jaar in het wetenschappelijke tijdschrift Nature op om duidelijke grenzen en richtlijnen op te stellen voor dit nieuwe experimenteren met menselijk hersenweefsel. De belofte van de techniek is zo groot dat er niet mee doorgaan onethisch lijkt, schrijven ze. Maar hoe dichter een kweeksel de werking van een echt brein benadert, hoe meer ethische kwesties zich aandienen.

Gevoelens en herinneringen

Zal het weefsel pijn of plezier kunnen registreren? Zal het herinneringen kunnen opslaan? Alleen al gezien het feit dat de bolletjes maar 2 tot 3 miljoen hersencellen bevatten en een volwassen mensenbrein 86 miljard lijkt dit scenario heel ver weg. Maar een van de auteurs mat al eens hersenactiviteit nadat ze met een lampje op netvliescellen in een brein-organoïde had geschenen. Het hersenweefsel reageerde dus op een prikkel van buiten. Dat is simpelweg de manier waarop deze cellen reageren, en heeft niets te maken met gevoelens of herinneringen.

Maar het vraagt wel om duidelijke grenzen. Is de productie van een menselijk hart in het lichaam van een varken bijvoorbeeld wel acceptabel, maar dat van menselijk hersenweefsel niet? Over deze zaken moeten wetenschappers, beleidsmakers, ethici en het grote publiek blijvend met elkaar in gesprek, schrijven de auteurs.

Intussen kent de creativiteit van wetenschappers met deze kweekbreintjes geen grenzen. Geneticus Svante Pääbo van het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Antropologie in het Duitse Leipzig, ontrafelde eerder de genetische code van het genoom van Neanderthalers. Nu wil hij met behulp van de laatste technologische snufjes een organoïde maken van het Neanderthaler-brein. En hersenwetenschapper Alysson Muotri van de Universiteit van Californië in San Diego presenteerde afgelopen juni op een congres zelfs al dat hij brein-organoïden gemaakt had met menselijke stamcellen waarin met CRISPR-Cas een Neanderthaler-gen was gezet. Opmerkelijk genoeg hadden de kweeksels een bobbeliger uiterlijk. „We noemen ze Neanderoïden” vertelde Muotri aan het wetenschappelijke tijdschriftScience.

Over de naamgeving van de brein-organoïden praten ethici ook. ‘Mini-breintjes’ raden ze af. Want een mini-brein kun je een klompje zenuwcellen van erwtformaat met de beste wil van de wereld niet noemen. Het kan niet denken en het bestuurt geen lijf. Maar het kan ons heel veel leren over de roze kronkelmassa in onze schedel.

    • Niki Korteweg