Bacteriën als redmiddel: duurzame oplossing om organoïden te kweken

Organoïden zijn kleine, in het laboratorium gekweekte structuren die op echte organen lijken. Ze worden gebruikt om te begrijpen hoe organen werken, hoe ziektes ontstaan en om nieuwe medicijnen te testen. Om organoïden te kweken, hebben de cellen een omgeving nodig die lijkt op de extracellulaire matrix in het lichaam. Dit is een netwerk van eiwitten zoals collageen dat cellen ondersteunt en structuur geeft aan weefsels. Je kan het vergelijken met de noodzaak van steigers voor de constructie van een gebouw. Onderzoekers gebruiken momenteel extracten van het basale membraan, een specifiek type extracellulaire matrix, om organoïden op te kweken. Hoewel deze extracten, zoals Matrigel en BME, effectief zijn, komen ze van muistumoren, zijn ze duur en is hun samenstelling niet goed bekend. Dit heeft onderzoekers aangespoord een betaalbaar, gestandaardiseerd en proefdiervrij alternatief te zoeken.

Een bacterie biedt de oplossing

In hun zoektocht naar een oplossing, richtte het onderzoektsteam zich op een onverwacht alternatief: een bacterieel eiwit. Specifiek bestudeerden ze Yersinia, een bacterie die in de darmen voorkomt. Yersinia-bacteriën gebruiken een membraaneiwit genaamd Invasine om zich aan menselijke cellen te hechten – een slimme truc die de onderzoekers besloten te benutten. “We begonnen creatief te denken en probeerden iets heel anders,” vertelt Joost Wijnakker, eerste auteur van het onderzoek. Invasin activeert specifieke eiwitten op het oppervlak van darmcellen, die dienen als kleine aanlegplaatsen en cellen helpen hechten en groeien. De onderzoekers isoleerden en verfijnden een effectief deel van het Invasin-eiwit om te testen of het dezelfde functies kon nabootsen als de eiwitten in Matrigel/BME.

Organoïden kweken met Invasine

In het huidige onderzoek brachten de onderzoekers een laagje van het verfijnde Invasine-eiwit aan op kweekschalen en lieten zien dat ze hiermee organoïden konden kweken. De veelzijdigheid van deze Invasine-coating is opmerkelijk. “We konden organoïden van menselijke darm- en luchtwegcellen, muizendarmcellen en zelfs slangengifkliercellen kweken en gedurende een lange periode onderhouden,” legt Wijnakker uit. De cellen behielden het vermogen om zich tot gespecialiseerde celtypen te ontwikkelen. De organoïden bootsen daarmee het originele orgaan met zijn verscheidenheid aan celtypen na. Dit is essentieel om nauwkeurig te bestuderen hoe organen zich ontwikkelen, regenereren en reageren op medicijnen.

Waarom 2D het nieuwe 3D is

Het gebruik van de Invasine-coating heeft nog een ander voordeel. Organoïden worden meestal gekweekt in een 3D-structuur, ingebed in een gel zoals Matrigel/BME. Dit maakt het soms lastig om de organoïden te bestuderen. Het is alsof je een bosbes probeert te analyseren terwijl die vastzit in een geleipudding – je kunt er niet goed bij.

Met de Invasine-coating kunnen organoïden in 2D-platen worden gekweekt. Deze platte structuur heeft veel voordelen: de cellen zijn gemakkelijker te kweken en te bekijken en ze zijn praktischer voor het testen van veel verschillende medicijnen tegelijkertijd. Bovendien behoudt de 2D-structuur de natuurlijke organisatie van de cellen. De bovenkant en onderkant van een cel blijven duidelijk gescheiden, zoals in een echt orgaan. Darmcellen hebben bijvoorbeeld twee verschillende kanten. De ene kant staat in contact met de darminhoud en helpt voedingsstoffen absorberen. De andere kant is verbonden met het basale membraan. De 2D-structuur die door Invasine mogelijk wordt gemaakt, behoudt deze organisatie en maakt beide kanten van de cel toegankelijk voor onderzoek.

De toekomst van organoïden met Invasine

De mogelijkheid om organoïden te kweken met een Invasine-coating heeft belangrijke gevolgen. “Wij geloven dat Invasine een nauwkeurig gedefinieerd, goedkoop, veelzijdig en proefdiervrij alternatief is voor Matrigel/BME dat het volledige potentieel van organoïden kan benutten,” concludeert Wijnakker. Deze technologie opent niet alleen nieuwe mogelijkheden voor onderzoek, maar zal ook medicijnontwikkeling versnellen en verduurzamen. Door van muizen afkomstige gels te vervangen met een bacterieel eiwit laten de onderzoekers zien dat ook kennis over de kleinste organismen—zoals bacteriën—grote veranderingen teweeg kunnen brengen in de medische wetenschap.

Publicatie

Integrin-activating Yersinia protein Invasin sustains long-term expansion of primary epithelial cells as 2D organoid sheets. Joost J.A.P.M. Wijnakker, Gijs J. F. van Son, Daniel Krueger, Willine J. van de Wetering, Carmen Lopez-Iglesias, Robin Schreurs, Fenna van Rijt, Sangho Lim, Lin Lin, Peter J. Peters, Ralph R. Isberg, Claudia Y. Janda, Wim de Lau* and Hans Clevers*. PNAS, 2024.
* gedeeld laatste auteur