Imaris Snapshot 13 mei 2020 Een gedetailleerde blik op darmhormonen Terug naar nieuws Onderzoekers van het Hubrecht Institute en de Universiteit Utrecht hebben in een grote samenwerking met andere onderzoeksteams een gedetailleerde beschrijving gemaakt van de hormoonproducerende cellen in de menselijke darm. De resultaten werden op 13 mei gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell. Deze hormoonproducerende cellen zijn moeilijk te bestuderen, omdat ze erg zeldzaam zijn en verschillende diersoorten hun eigen versies hebben. De onderzoekers ontwikkelden daarom een uitgebreide biologische gereedschapskist om menselijke hormoonproducerende cellen te bestuderen in miniversies van de darm die in het laboratorium worden gekweekt, zogenaamde organoïden. Met deze tools konden ze een aantal geheimen van de menselijke darm onthullen, bijvoorbeeld welke potentiële hormonen door de darm kunnen worden gemaakt en hoe de uitscheiding van deze hormonen wordt geactiveerd. Deze bevindingen bieden in de toekomst wellicht nieuwe mogelijkheden voor de behandeling van ziekten zoals diabetes type 2 en obesitas. Heb je je ooit afgevraagd waar dat plotselinge hongergevoel vandaan komt als je lege maag rommelt? Duizenden hormoonproducerende cellen of entero-endocriene cellen, verspreid over je maag en darmen, hebben zojuist miljoenen kleine blaasjes, gevuld met het hongerhormoon ghreline, aan je bloed afgegeven. Darmhormonen Hormonen zoals ghreline vormen de primaire communicatiemethode van de darm met verderop gelegen delen van de darm, maar ook met andere organen zoals de alvleesklier en de hersenen. Als reactie op voedsel en bacteriën in de darmen produceren verschillende soorten entero-endocriene cellen verschillende hormonen. Deze hormonen kunnen zorgen voor honger of verzadiging, de peristaltische bewegingen in de darmspieren coördineren en het herstel van de beschermende cellaag van de darm stimuleren. Deze hormonen kunnen ook zorgen voor het verhogen van de afgifte van insuline uit de alvleesklier, iets dat vooral interessant is voor patiënten met diabetes type II. Deze patiënten kunnen onvoldoende insuline produceren om zelf hun bloedsuikerwaarden te stabiliseren. Een van de meest succesvolle behandelingen voor diabetes type 2 is zelfs gebaseerd op een darmhormoon dat GLP1 heet. Met deze behandeling kunnen sommige patiënten hun bloedglucose regelen zonder dat insuline-injecties nodig zijn. Een mini-darm, of organoïde, met een gigantisch verhoogd aantal entero-endocriene, of hormoonproducerende, cellen. Verschillende hormonen zijn rood, paars en groen gelabeld. De celkernen van alle cellen zijn blauw/groen. Beeld: Joep Beumer, copyright Hubrecht Institute De darmhormonen-uitdaging Slechts ongeveer 1% van de darmwand bestaat uit entero-endocriene cellen. Om het nog ingewikkelder te maken zijn er ten minste 5 subtypes van deze entero-endocriene cellen die samen meer dan 20 verschillende hormonen produceren, waarvan sommige zelfs nóg zeldzamer zijn. Dit betekent dat je naar meer dan 1000 cellen moet kijken om een entero-endocriene cel te vinden die een specifiek hormoon aanmaakt. Daardoor is het erg lastig om te bestuderen hoe deze cellen precies reageren op het voedsel in je darmen. De meeste kennis die we hebben over entero-endocriene cellen is gebaseerd op studies bij muizen. Muizen hebben echter een heel ander dieet dan mensen en zullen daarom waarschijnlijk andere signalen van hun voedsel waarnemen. De tegenhangers van sommige menselijke darmhormonen bestaan zelfs niet bij muizen. Een gereedschapskist voor darmhormonen Onderzoekers uit de groep van Hans Clevers aan het Hubrecht Institute hebben deze uitdagingen, de zeldzaamheid van entero-endocriene cellen en de verschillen tussen muizen en mensen, op een creatieve manier overwonnen. Ze gebruikten darmorganoïden, kleine darmen die ze in het laboratorium kunnen laten groeien uit menselijke stamcellen, en ze verhoogden de activiteit van een gen dat neurogenine-3 heet. Hierdoor nam het aantal entero-endocriene cellen in deze mini-darmen gigantisch toe, terwijl alle verschillende subtypes van deze cellen nog steeds gemaakt werden. Een mini-darm, of organoïde, van de EEC-Tag biobank. Het hormoon Motilin is gelabeld in groen en aangekleurd in rood. Motilin is een hormoon dat niet bestaat in muizen, en daarom alleen in menselijke cellen bestudeerd kan worden. De celkernen van alle cellen zijn blauw/groen. Beeld: Joep Beumer, copyright Hubrecht Institute Om alle specifieke soorten entero-endocriene cellen te kunnen bestuderen, gebruikten de onderzoekers een andere truc die recentelijk werd ontwikkeld in de groep van Hans Clevers. Clevers: “In ons lab hebben we de genetische manipulatie van organoïden geoptimaliseerd. Daardoor konden we de hormonen die door de entero-endocriene cellen worden gemaakt in verschillende kleuren labelen en op die manier een biobank van mini-darmen opzetten, de EEC-Tag biobank, waarin de verschillende hormonen zijn gelabeld met verschillende kleuren.” Wanneer een entero-endocriene cel een gelabeld hormoon begint te produceren, verschijnt die cel in de bijbehorende kleur. De onderzoekers kunnen de EEC-Tag biobank gebruiken om tien belangrijke hormonen en verschillende combinaties van deze hormonen binnen dezelfde organoïde te bestuderen. Joep Beumer (Hubrecht Instituut): “Door alle belangrijke darmhormonen met een kleur te markeren, konden we elk subtype van entero-endocriene cellen verzamelen en zelfs de zeldzaamste entero-endocriene celtypes bestuderen. Door de EEC-Tag biobank te combineren met andere geavanceerde technieken kregen we diepgaande inzichten in de biologie van hormoonproductie in de menselijke darm.” Atlas van individuele menselijke entero-endocrine, of hormoonproducerende, cellen. Elke stip is een weergave van de actieve genen van een indviduele entero-endoctine cel. Verschillende groepen cellen, in verschillende kleuren, zijn verschillende subtypes entero-endocrine cellen. Beeld: Jens Puschhof, copyright Hubrecht Institute Nieuwe moleculen De onderzoekers beschreven voor het eerst alle genen die actief zijn in de verschillende soorten menselijke entero-endocriene cellen, met behulp van een techniek die single-cell sequencing heet. Op basis van deze gegevens creëerden ze een atlas met de gedetailleerde informatie tot nu toe over de verschillende subtypes entero-endocriene cellen bij mensen. Daaruit bleek dat er genen actief waren die cruciaal zijn voor de functie van entero-endocriene cellen, maar die niet eerder waren beschreven. De onderzoekers identificeerden bijvoorbeeld nieuwe receptoren die deze cellen kunnen gebruiken om voedsel te detecteren en hormonen af te geven. Daarnaast ontdekten ze potentiële hormonen die nog nooit eerder in de darmen waren gezien. “Met de EEC-Tag biobank konden we van elk soort entero-endocriene cel honderden exemplaren onderzoeken. De resulterende atlas is een goudmijn vol fascinerende relaties tussen hormonen, receptoren en andere genen die worden gebruikt door goed gedefinieerde soorten entero-endocriene cellen. Dit biedt veel nieuwe richtingen voor toekomstige studies,” zegt Jens Puschhof (Hubrecht Institute). Het belangrijkste kenmerk van entero-endocriene cellen zijn de actieve hormonen die ze uitscheiden. Om deze hormonen direct te kunnen meten, werkten de onderzoekers samen met de groep van Wei Wu aan de Universiteit Utrecht. De onderzoekers in deze groep zijn specialisten in massaspectrometrie, een zeer gevoelige methode om verschillende moleculen te identificeren. In de verzameling moleculen die door de mini-darmen worden geproduceerd, ontdekten ze veel nieuwe moleculen waarvan het niet bekend was dat ze in de darmen worden uitgescheiden. Deze nieuwe moleculen hebben mogelijk tot nu toe onbekende functies die betrokken zijn bij de reactie van ons lichaam op voedsel. De nieuw ontdekte moleculen onderstrepen onze beperkte kennis van de hormonen die in onze darmen worden geproduceerd. Wei Wu (Universiteit Utrecht): “De stoffen die worden uitgescheiden door de darm bestaan uit een mix van hormonen die zowel actief als inactief kunnen zijn. Voor het eerst karakteriseren we de diversiteit van deze hormonen in menselijke mini-darmen, en laten we zien of deze hormonen worden verwerkt tot actieve functionele moleculen. Hormoonactivering wordt niet bepaald door genen, maar door de verwerking van de hormonen achteraf. Daarom zijn deze resultaten ook een aanwijzing zijn voor een interessante interventieroute voor allerlei toepassingen, zoals het controleren van het hongergevoel of het behandelen van diabetes. ” Grootschalige screens Met behulp van al deze gegevens en tools kunnen onderzoekers nu grootschalige screens uitvoeren om te bestuderen welke moleculen in ons voedsel worden waargenomen door welke soorten entero-endocriene cellen, hoe de entero-endocriene cellen deze moleculen daadwerkelijk waarnemen en welke hormonen als reactie daarop worden geproduceerd. Clevers: “We kunnen nu grote aantallen van alle menselijke entero-endocriene cellen maken en de subtypes daarvan volgen met behulp van fluorescerende kleuren in organoïden. Dat maakt het mogelijk om grote screens te doen waarin gezocht wordt naar medicijnen die het therapeutische potentieel van entero-endocriene cellen kunnen benutten”. Dit werk maakt de weg vrij voor verder onderzoek naar het grootste hormoonproducerende orgaan in ons lichaam en zou uiteindelijk kunnen leiden tot behandelingen voor mensen met obesitas en diabetes. ~~~ Publicatie High Resolution mRNA and Secretome Atlas of Human Enteroendocrine Cells. Joep Beumer*, Jens Puschhof*, Julia Bauzá-Martinez*, Adriana Martínez-Silgado, Rasa Elmentaite, Kylie R. James, Alexander Ross, Delilah Hendriks, Benedetta Artegiani, Georg Busslinger, Bas Ponsioen, Amanda Andersson-Rolf, Aurelia Saftien, Charelle Boot, Kai Kretzschmar, Maarten H. Geurts, Yotam E. Bar-Ephraim, Cayetano Pleguezuelos Manzano, Yorick Post, Harry Begthel, Franka van der Linden, Carmen Lopez-Iglesias, Willine J. van de Wetering, Reinier van der Linden, Peter J. Peters, Albert .J.R. Heck, Joachim Goedhart, Hugo Snippert, Matthias Zilbauer, Sarah A. Teichmann, Wei Wu#, Hans Clevers#. Cell 2020. * deze onderzoekers hebben evenveel bijgedragen, # senior onderzoekers Hans Clevers is groepsleider bij het Hubrecht Institute en het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie, hoogleraar Moleculaire Genetica bij het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht, en Oncode Investigator. Wei Wu is universitair docent op de afdeling Biomoleculaire Massaspectrometrie en Proteomics bij het Bijvoet Center Biomoleculair Onderzoek en het Utrechts Instituut voor Farmaceutische Wetenschappen, Universiteit Utrecht.
