Figuur 1. Organoïden van de menselijke darmen, verrijkt met hormoonproducerende entero-endocriene cellen (EEC's). Verschillende hormonen in blauw, groen en cyaan. Credit: Joep Beumer, copyright: Hubrecht Institute. 9 november 2022 Nieuwe inzichten in de verwerking van hormonen in de menselijke darmen Terug naar nieuws De menselijke darm is het grootste orgaan dat hormonen produceert in zoogdieren. Als reactie op voedsel scheiden de hormoonproducerende cellen in de darmen tientallen peptiden af. Nu hebben onderzoekers van de Organoid groep (Hubrecht Instituut) en de groep van Wei Wu (Universiteit Utrecht) het brede spectrum aan hormonen en de manier waarop ze worden verwerkt gedefinieerd. Deze data zullen helpen bij het identificeren van mogelijke nieuwe hormonen die de darmen produceren om belangrijke aspecten van de menselijke fysiologie, zoals de eetlust en stoelgang, te reguleren. De resultaten zijn op 7 november 2022 gepubliceerd in PNAS. De darm is het grootste orgaan in het menselijk lichaam dat hormonen produceert. Zogenaamde entero-endocriene cellen (EEC’s) zijn verantwoordelijk voor het uitscheiden van deze hormonen. Alhoewel EEC’s slechts 1% van het darmoppervlak uitmaken, scheiden ze tientallen peptiden Een molecuul dat bestaat uit een klein aantal aminozuren. af als reactie op voedselinname. Deze hormonen reguleren belangrijke fysiologische reacties, waaronder eetlust, stoelgang en uitscheiding van insuline. Hormoonverwerking EEC’s produceren grote eiwitten die prohormonen worden genoemd, waar kleine bioactieve Stoffen die een bepaalde fysiologische of biologische activiteit of functie hebben. peptiden van worden afgesplitst. De precieze rol van de enzymen (proteases) die bij dit verwerkingsproces betrokken zijn, is nog niet bekend. Mutaties Een fout in het DNA. Mutaties kunnen onder andere ontstaan als het DNA verkeerd gekopieerd wordt of door invloeden van buitenaf. Tumorcellen bevatten bijvoorbeeld vaak mutaties die voordelig zijn voor hun groei. in deze enzymen kunnen ervoor zorgen dat enkele functionele hormonen ontbreken, waardoor endocriene ziekten ontstaan. Onderzoekers van de Organoid groep hebben samengewerkt met de groep van Wei Wu van de Universiteit Utrecht om de rol van de enzymen bij de verwerking van darmhormonen te onderzoeken en mogelijke nieuwe darmhormonen te identificeren. Organoïden als modelsysteem EEC’s zijn zeldzaam in menselijk weefsel en daarom moeilijk te onderzoeken. De wetenschappers maakten gebruik van organoïden Mini-organen die in het laboratorium gekweekt worden. Organoïden bootsen de vorm en functie van een echt orgaan na. Onderzoekers gebruiken de structuren onder andere om het effect van medicijnen op zieke organen te kunnen bestuderen. van de menselijke darmen, waarin ze het aantal EEC’s sterk konden verhogen en deze daardoor beter konden onderzoeken. EEC’s in menselijke organoïden lijken op die in echt weefsel; organoïden zijn daarom een waardevol model voor onderzoek naar hun functie. De staat van een EEC is verschillend afhankelijk van zijn anatomische locatie in de darmen. In de crypten De dalen van het geplooide weefsel van de darmen. Hier liggen onder andere de stamcellen, die telkens nieuwe darmcellen maken. zijn de EEC’s bijvoorbeeld in een andere staat dan in de villi Dit zijn de darmvlokken; uitstulpingen op het geplooide weefsel van de darmen. De functie van deze structuren is om het oppervlakte te vergroten, waardoor meer voedingsstoffen uit de voedsel gehaald kunnen worden.. In de organoïdemodellen kon het team deze verschillende staten van EEC’s reproduceren. Figuur 1. Organoïden van de menselijke darmen, verrijkt met hormoonproducerende entero-endocriene cellen (EEC's). Verschillende hormonen in blauw, groen en cyaan. Credit: Joep Beumer, copyright: Hubrecht Institute. Hormoonfabrieken De onderzoekers maakten van de organoïden grote hormoonfabrieken. Ze waren in staat om de uitscheiding van hormonen te induceren en deze hormonen te verzamelen wanneer ze wilden (Figuur 1). Joep Beumer legt uit: “In weefsels van mens of dier zijn de hormonen door hun geringe aanwezigheid moeilijk te detecteren. Je weet nooit zeker of wat je meet is uitgescheiden door EEC’s. De enorme hoeveelheden van deze hormonen die we in organoïden kunnen verkrijgen, maken het mogelijk om dit probleem bijna volledig te omzeilen. Figuur 2. Links: Organoïde met gezonde EEC's. Rechts: Organoïde met mutaties in protease. In groen de peptidase die verloren is gegaan in de mutant organoide. Celkernen in blauw (DAPI) en actin in wit (Phalloidin). Credit: Joep Beumer, copyright: Hubrecht Institute. Mutaties Vervolgens gebruikte het team CRISPR-Cas9 Een techniek waarmee onderzoekers op een specifieke plek in het DNA kunnen knippen, om daar een verandering in aan te brengen. Op die manier kunnen onderzoekers bestuderen wat het effect is van een specifieke verandering van het DNA.om de enzymen, of proteases, te verwijderen die betrokken kunnen zijn bij de verwerking van de hormonen en die mutaties bevatten in mensen met endocriene ziekten (Figuur 2). Met een geavanceerde techniek (mass spectometry–based peptidomics), karakteriseerden ze de hormonen geproduceerd door gezonde EEC’s en de hormonen geproduceerd door EEC’s met mutaties in protease. “Met deze techniek kunnen we nauwkeurig in kaart brengen wat voor hormonen gezonde en gemuteerde EEC’s maken,” vertelt co-eerste auteur Julia Bauzá-Martinez. “En als specifieke hormonen worden uitgeput in relatie tot een gemuteerd enzym, kunnen we aannemen dat het een belangrijk hormoon is, en geen willekeurige afwijking.” Glucagon in menselijke darmen De onderzoekers zijn erin geslaagd een brede karakterisatie uit te voeren van hormonen in normale EEC’s en in EEC’s zonder bepaalde proteases. Tegen alle verwachtingen in, mat het team aanzienlijke hoeveelheden glucagon in menselijke EEC’s. Glucagon is een bekend hormoon dat wordt geproduceerd door de menselijke alvleesklier, maar of de darmen het ook kunnen produceren wordt betwist. “Glucagon werd vooral gevonden wanneer cellen werden gestimuleerd met specifieke signalen, die de omgeving van de darmvlokken nabootsen,” vertelt Joep Beumer. Het enzym dat glucagon kan produceren – PCSK2 genoemd – werd inderdaad gestimuleerd door dezelfde signalen. Toekomstig onderzoek Eerder werk van dezelfde onderzoeksgroepen toonde aan dat EEC’s hun hormoonproductie kunnen veranderen wanneer ze verplaatsen van de crypten naar de vlokken. Deze nieuwe studie suggereert dat EEC’s mogelijk ook – afhankelijk van hun locatie in de darmen – kunnen veranderen hoe ze prohormonen tot bioactieve peptiden verwerken. Toekomstig onderzoek zou zich kunnen richten op de fysiologische relevantie van deze veranderingen in hormoonproductie. “Uiteindelijk zal een completer beeld van hormoonverwerking bijdragen aan betere behandelingen voor endocriene ziekten,” concludeert Beumer. Publicatie Mapping prohormone processing by proteases in human enteroendocrine cells using genetically engineered organoid models. Joep Beumer, Julia Bauzá-Martinez, Tim S. Veth, Veerle Geurts, Charelle Boot, Hannah Gilliam-Vigh, Steen S. Poulsen, Filip Knop, Wei Wu & Hans Clevers. PNAS, 2022. De Organoid groep, voorheen Clevers groep, bestudeert de biologie van Wnt-signalering tijdens vernieuwing van cellen in de darm en bij kanker, ontdekte dat Lgr5 een marker is voor volwassen stamcellen in diverse volwassen weefsels en ontwikkelde een methode om deze Lgr5-positieve cellen uit te groeien tot mini-orgaantjes, zogenaamde organoïden.
