Mini-gifklieren van slangen ontwikkeld in het lab

Onderzoekers van de groep van Hans Clevers aan het Hubrecht Institute (KNAW) hebben in een internationale samenwerking een methode ontwikkeld om gifklieren van slangen te groeien als organoïden. Deze mini-klieren gekweekt in het lab kunnen actieve gifstoffen, of toxines, van echt slangengif produceren en uitscheiden. Gifklier-organoïden kunnen gekweekt worden van verschillende slangensoorten en oneindig in het lab worden vermeerderd. Deze nieuwe technologie maakt het in de toekomst wellicht mogelijk zowel de rampzalige gevolgen van slangenbeten te verminderen, alsmede de geheimen van gif beter te begrijpen. De resultaten van dit onderzoek werden op 23 januari gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Cell.

De slang is het symbool van de Griekse godheid van geneeskunde en genezing, Asclepius. © Wikimedia Commons

De positieve en negatieve kant van slangen en gif hebben de mensheid al millennia gefascineerd. Slangenbeten doden ieder jaar meer dan 100.000 mensen (en veroorzaken fysieke beperkingen in meer dan 400.000 mensen), terwijl veel mensen last hebben van ofidiofobie, een overmatige angst voor slangen. Aan de andere kant is hun gif ook een rijke bron voor medicijnen, die al werd gebruikt door de oude Grieken. Sindsdien zijn veel medicijnen geïnspireerd op componenten uit slangengif, zoals bijvoorbeeld medicijnen die de bloeddruk verlagen en bloedingen voorkomen. Maar zelfs in de moderne geneeskunde is het nog steeds uitdagend om zowel de volledige potentie van slangengif voor medicijnontwikkeling te benutten als mensen te beschermen tegen zijn dodelijke effecten. Een aantal belangrijke obstakels wordt gevormd door het moeizame en gevaarlijke proces van het melken van slangen, en de uitdaging om gif in de klier van een slang te bestuderen en modificeren.

Gifklierorganoïden van de Aspidelaps lubricus slang. Credit: Joep Beumer, Jens Puschhof, Yorickpost, © Hubrecht Institute

Negen verschillende slangen
Drie PhD studenten uit de groep van Hans Clevers in het Hubrecht Institute in Utrecht waren geïnspireerd door het succes van hun collega’s met het groeien van miniversies van organen in het lab, zogenaamde organoïden. Ze vroegen zich af of dit ook mogelijk was voor reptielen, en of ze misschien ook gif konden maken in het lab. In een samenwerking met slangenexperts uit Leiden, Liverpool en Amsterdam verzamelden ze gifklieren van negen verschillende slangen waaruit ze miniatuur versies van deze organen probeerden te kweken.

Gifklier-organoiden. Credit: Ravian van Ineveld, © Princess Máxima Center

Lichaamstemperatuur
Na het verfijnen van de groeicondities die gebruikt worden bij humane organoïden, lukte het de onderzoekers een recept te ontwikkelen dat ervoor zorgde dat de mini-gifklieren oneindig konden groeien. ‘De overeenkomsten tussen de groeicondities bij organoïden van mensen en slangen was verbazingwekkend, het belangrijkste verschil was de temperatuur’, zegt Jens Puschhof (Hubrecht Institute). Omdat de lichaamstemperatuur van slangen lager is dan die van mensen, groeiden de gifklieren bij lagere temperaturen: 32ºC in plaats van 37ºC.

Een verschillende mate van toxine productie (groen en rood) in verschillende delen van de gifklier. Credit: Joep Beumer, Yorick Post, Jens Puschhof, © Hubrecht Institute

Actieve toxines
Door middel van hoge-resolutie microscopie, konden de onderzoekers zien dat cellen in de organoïden vol zitten met kleine structuren die lijken op de blaasjes met gif in echte gifklieren. Verschillende analyses lieten inderdaad zien dat de organoïden de meeste gifstoffen, of toxines, uit slangengif produceerden. Voor het eerst werd het daardoor mogelijk om de productie van toxines door individuele cellen in de gifklier te bestuderen. ‘We weten van andere organen die stoffen uitscheiden, zoals de alvleesklier en de darm, dat verschillende soorten cellen elk maar een deel van deze stoffen maken. Nu zagen we voor het eerst dat dit ook zo is bij de toxines die in de gifklier van slangen gemaakt worden’, legt Joep Beumer (Hubrecht Institute) uit. De onderzoekers vonden ook dat het aanpassen van componenten in het groeimedium van de organoïden invloed had op de samenstelling van het gif, waardoor ze controle hebben over welke toxines gemaakt worden. In samenwerking met andere labs lieten ze zien dat neurotoxines die door de organoïden gemaakt worden actief zijn en de signalen in neuronen kunnen blokkeren, net zoals neurotoxines van slangen dat doen.

Tegengif en medicijnen
De ontdekkingen van de onderzoekers hebben mogelijk verreikende gevolgen. Gif dat wordt gemaakt door gifklier-organoïden kan wellicht worden gebruikt voor het maken van tegengif, of voor het ontwikkelen van nieuwe medicijnen gebaseerd op componenten uit het gif. Verder onderzoek is momenteel gaande om deze toepassingen verder te ontwikkelen. Het feit dat de onderzoekers voor het eerst organoïden van reptielen konden kweken, betekent bovendien dat weefsels van andere gewervelden (bijvoorbeeld hagedissen, of vissen) wellicht ook op deze manier gekweekt kunnen worden. De onderzoekers hebben recent een grote samenwerking opgezet om organoïden te kweken van 50 giftige reptielen, slangen en andere giftige dieren samen met reptielen expert Freek Vonk van het Naturalis Biodiversity Center. Yorick Post (Hubrecht Institute): ‘Het is ongelooflijk om te zien dat wat begon met onze nieuwsgierigheid naar het kweken van gifklier-organoïden veranderde in een techniek met veel mogelijke toepassingen voor het verbeteren van de gezondheidszorg’.

In deze video leggen Yorick Post, Jens Puschhof en Joep Beumer uit hoe ze organoïden, of mini-orgaantjes, van de gifklier van slangen hebben ontwikkeld, en wat we daar in de toekomst mee kunnen doen.

~~~

Publicatie
Snake Venom Gland Organoids. Yorick Post*, Jens Puschhof*, Joep Beumer*, Harald M. Kerkkamp, Merijn A.G. de Bakker, Julien Slagboom, Buys de Barbanson, Nienke R. Wevers, Xandor M. Spijkers, Thomas Olivier, Taline D. Kazandjian, Stuart Ainsworth, Carmen Lopez Iglesias, Willine J. van de Wetering, Maria C. Heinz, Ravian L van Ineveld, Regina G.D.M. van Kleef, Harry Begthel, Jeroen Korving, Yotam E. Bar-Ephraim, Walter Getreuer, Anne C. Rios, Remco H. S. Westerink, Hugo J. G. Snippert, Alexander van Oudenaarden, Peter J. Peters, Freek J. Vonk, Jeroen Kool, Michael K. Richardson, Nicholas R. Casewell and Hans Clevers. Cell 2020.
*These authors contributed equally

Deze studie is het resultaat van een grote samenwerking tussen het Hubrecht Institute, Naturalis Biodiversity Center, Institute of Biology Leiden, Vrije Universiteit Amsterdam Division of BioAnalytical Chemistry, UMC Utrecht, Maastricht University, het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie, Utrecht University Neurotoxicology Research Group, MIMETAS, SERPO, en slangen(gif)experts Michael Richardson (Institute of Biology Leiden), Freek Vonk (Naturalis Biodiversity Center) en Nicholas Casewell (Liverpool School of Tropical Medicine).

Hans Clevers is groepsleider aan het Hubrecht Institute and het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie, hoogleraar Moleculaire Genetica aan het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht, en Oncode Investigator.