Onderzoekers kweken menselijke traanklieren die echt huilen

Onderzoekers uit het lab van Hans Clevers (Hubrecht Instituut) en het UMC Utrecht hebben met behulp van organoïdetechnologie menselijke mini-traanklieren gekweekt die echt huilen. De organoïden dienen als model voor onderzoek naar de manier waarop cellen in de menselijke traanklier tranen produceren en wat hierin mis kan gaan. Onderzoekers over de hele wereld kunnen het model gebruiken om nieuwe behandelingen te vinden voor patiënten met traanklieraandoeningen zoals droge ogen. Hopelijk kunnen de organoïden in de toekomst zelfs getransplanteerd worden naar patiënten met niet-functionerende traanklieren. De resultaten zijn op 16 maart gepubliceerd in Cell Stem Cell.

De traanklier ligt bovenin de oogkas en scheidt traanvocht uit. Traanvocht is essentieel voor het bevochtigen en voeden van het hoornvlies en heeft een antibacteriële werking. Rachel Kalmann (UMCU), oogarts en onderzoeker bij het project, legt uit: “Als de traanklier niet of slecht functioneert, bijvoorbeeld bij het syndroom van Sjögren, kan dit ernstige gevolgen hebben, waaronder uitdroging en zelfs zweervorming van het hoornvlies. In uiterste gevallen kan dit leiden tot blindheid.” Echter was de precieze biologie van het functioneren van de traanklier nog onbekend en een betrouwbaar model om dit verder te onderzoeken ontbrak. Tot nu: onderzoekers uit de groep van Hans Clevers (Hubrecht Instituut) presenteren het eerste menselijke model om te onderzoeken hoe cellen in de traanklier huilen en wat er mis kan gaan.

Tranen geproduceerd door menselijke organoïden. In rood het component van de traan genaamd LCN2, in groen de connecties tussen cellen en in blauw de celkernen.

Huilende organoïden

De onderzoekers gebruikten organoïdetechnologie om miniatuurversies van de muizen- en menselijke traanklier te kweken in het lab. Deze zogenoemde organoïden zijn 3D-structuren die de functie van echte organen nabootsen. Nadat ze de traanklierorganoïden hadden gekweekt, volgde een nieuwe uitdaging: ze aan het huilen krijgen. Marie Bannier-Hélaouët, onderzoeker bij het project, vertelt: “Organoïden worden gekweekt met behulp van een cocktail van groei-stimulerende stoffen. We moesten de gebruikelijke cocktail aanpassen om te zorgen dat de organoïden konden huilen.” Toen de onderzoekers de juiste mix van groeifactoren hadden gevonden, konden ze de organoïden aan het huilen maken. “Onze ogen zijn altijd nat, net als de traanklieren in een Petri schaaltje,” zegt Bannier-Hélaouët.

Opzwellen als een ballon

Mensen huilen als reactie op bijvoorbeeld pijn. Op een soortgelijke manier huilen organoïden in reactie op chemische stimuli zoals noradrenaline. De cellen van de organoïden scheiden hun tranen uit aan de binnenkant van de organoïde – het lumen. De organoïde zwelt hierdoor op als een ballon. De grootte van organoïden kan dus worden gebruikt als indicator voor traanproductie en -uitscheiding. “Extra experimenten lieten zien dat verschillende cellen in de traanklier verschillende traancomponenten maken. En deze cellen reageren ook verschillend op de stimuli die aanzetten tot traanproductie,” zegt Yorick Post, een andere onderzoeker bij het project.

Video 1. Traanklierorganoïden huilen na stimulatie met noradrenaline en zwellen op.

Lipcalin 2 (in rood) is een component van de traan dat door de organoïden wordt gemaakt. Credit: Yorick Post, copyright: Elsevier.

Atlas van cellen

De traanklier bestaat uit verschillende celtypen, maar het huidige model omvat er maar één, de ductale cel. De onderzoekers presenteren in hun paper een atlas van de cellen in de traanklier om de verschillen te laten zien. Ze hebben deze atlas gemaakt met behulp van single cell sequencing; een methode waarmee individuele cellen onderzocht en gekarakteriseerd kunnen worden. Post legt uit: “In de toekomst zouden we ook graag het andere type traankliercel willen kweken, de zogenoemde acinaire cel. Op die manier kunnen we uiteindelijk een volledige traanklier kweken in het lab.” De onderzoekers konden de atlas ook gebruiken om nieuwe traancomponenten te identificeren. Deze componenten helpen het oog te beschermen tegen infecties.

Organoïden transplanteren

De ontwikkeling van de miniatuurtraanklieren is veelbelovend voor patiënten met traanklieraandoeningen. Onderzoekers over de hele wereld kunnen het model gebruiken om nieuwe medicijnen te zoeken voor patiënten die niet genoeg tranen produceren. Ook kunnen de organoïden worden gebruikt om te onderzoeken hoe kanker in de traanklier ontstaat en behandeld kan worden. “En hopelijk kunnen we dit type organoïden in de toekomst zelfs transplanteren naar patiënten met niet-functionerende traanklieren,” concludeert Bannier-Hélaouët. De studie demonstreert wederom de brede potentie die organoïdetechnologie biedt voor de wetenschap en geneeskunde.

Publicatie

Marie Bannier-Hélaouët, Yorick Post, Jeroen Korving, Marc Trani Bustos, Helmuth Gehart, Harry Begthel, Yotam E. Bar-Ephraim, Jelte van der Vaart, Rachel Kalmann, Saskia M. Imhof and Hans Clevers. Exploring the human lacrimal gland using organoids and single-cell sequencing. Cell Stem Cell (2021).

Hans Clevers is group leader at the Hubrecht Institute and the Princess Máxima Center for Pediatric Oncology, professor of Molecular Genetics at Utrecht University, and Oncode Investigator.