27 november 2020 Promotie Susanne van den Brink: “Van gestreste spierstamcellen tot muizen en humane gastruloïden” Terug naar nieuws Susanne van den Brink, uit de groep van Alexander van Oudenaarden, heeft op 27 november haar proefschrift getiteld “Van gestreste spierstamcellen tot muizen en humane gastruloïden: Toepassingen van single-cell en spatiële RNA sequencing methodes” cum laude verdedigd. Samen met haar collega’s ontdekte ze dat de methode waarmee cellen uit weefsels worden geïsoleerd leidt tot een stressreactie in een deel van deze cellen. Verder optimaliseerden ze het protocol voor het ontwikkelen van een embryo-achtige structuur – een gastruloïde – uit embryonale muizenstamcellen en maakten ze de allereerste menselijke versie van dit model. Met de ontdekkingen van Van den Brink en haar collega’s wordt het mogelijk om onderzoek te doen naar een stadium van de menselijke embryonale ontwikkeling dat normaal gesproken niet toegankelijk is voor onderzoek. Het promotietraject van Van den Brink bestond uit twee delen. Tijdens het eerste deel lag haar focus op spierstamcellen. Spierstamcellen zijn altijd aanwezig in een volwassen spier, maar het grootste gedeelte van de tijd zijn ze inactief. Pas als de spier beschadigd raakt, bijvoorbeeld door intensief sporten of blessures, worden de spierstamcellen actief en vermenigvuldigen ze zich om de spier te repareren. Spierstamcellen in de stress Vlak voor Van den Brink startte met haar promotietraject, werd een paper gepubliceerd waaruit bleek dat er twee soorten spierstamcellen bestonden, elk met een iets andere gen-activiteit. Maar toen ze zich verdiepte in de twee soorten cellen, ontdekte ze dat beide soorten toch tot dezelfde populatie behoorden; de ene groep vertoonde alleen een hogere stressreactie dan de andere groep. Deze stressreactie werd veroorzaakt door de veelgebruikte methode – genaamd FACS, waarmee onderzoekers spierstamcellen losmaken van de spier. Vondst van artefact Van den Brink’s onderzoek wees dus op een artefact: de geobserveerde verschillen tussen spierstamcellen waren niet van nature aanwezig, maar ontstonden door de gebruikte onderzoeksmethode. Verder onderzoek liet zien dat dit artefact niet specifiek is voor spierstamcellen: het komt voor in allerlei soorten cellen die door middel van deze procedure uit weefsel worden gehaald. De vondst betekende dat de resultaten van een aantal reeds gepubliceerde papers opnieuw geïnterpreteerd moesten worden en leidde tot een publicatie in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nature Methods. Eerste embryomodel gemaakt uit stamcellen In het tweede deel van haar promotietraject borduurde Van den Brink voort op onderzoek dat zij deed tijdens haar masterstage in Cambridge (VK) in 2013. “Tijdens die masterstage heb ik ontdekt hoe je van embryonale muizenstamcellen embryo-achtige structuren kan maken, iets wat destijds nog nooit eerder was gelukt. In de jaren na mijn stage is uit deze ontdekking een heel nieuw vakgebied voortgekomen,” vertelt ze. Het model – ook wel gastruloïde genoemd – leek in bepaalde opzichten op een muizenembryo, maar er waren ook nog wel grote verschillen. Het lukte bijvoorbeeld niet om de embryostructuur zogenaamde somieten te laten maken. Dat zijn blokjes weefsel waaruit in een later stadium in de embryonale ontwikkeling de ruggenwervels en spieren worden gevormd. Foto van een gastruloïde waarin de somieten, de voorlopers van de ruggenwervels en spieren, blauw aangekleurd zijn. Credit: Vincent van Batenburg, ©Hubrecht Institute. Ronddrijvende gastruloïden “Tijdens mijn promotie heb ik deels per toeval ontdekt hoe we ervoor kunnen zorgen dat ons embryomodel somieten ontwikkelt. We wilden de gastruloïden onder de microscoop bekijken, maar doordat ze vrij ronddreven in een vloeistof dreven ze steeds uit beeld. We hadden dus iets nodig om ze te stabiliseren.” Een collega stelde ‘Matrigel’ voor, een gel-achtige substantie. Deze gel bleek de gastruloïden inderdaad te stabiliseren, maar zorgde er daarnaast onverwachts ook voor dat ze somieten gingen maken en veel meer op echte muizenembryo’s gingen lijken. Hoe het komt dat het toevoegen van Matrigel dit effect heeft op de gastruloïden wordt nog onderzocht. Cartoonweergave van een muizenembryo (links) en een muizengastruloïde (rechts). Credit: Núria Taberner, ©Hubrecht Institute. Menselijke gastruloïden Na het optimaliseren van de gastruloïden ontwikkeld uit embryonale muizenstamcellen, ontwikkelden van den Brink en haar collega’s uit Cambridge ook een eerste protocol voor het kweken van een menselijke versie van het model, namelijk uit menselijke embryonale stamcellen. Deze gastruloïden bootsen aspecten van de ontwikkeling van menselijke embryo’s tussen de 18 en 21 dagen oud na. “Een belangrijk resultaat, omdat onderzoek met echte menselijke embryo’s ouder dan 14 dagen niet toegestaan is. Hierdoor was het voorheen niet mogelijk om de ontwikkeling van menselijke embryo’s na dag 14 te bestuderen,” vertelt ze. Omdat de menselijke gastruloïden geen hersenen en placenta vormen zijn ze niet levensvatbaar en voldoen ze aan de huidige ethische richtlijnen. Patiëntmodellen In de nabije toekomst gaan de onderzoekers proberen om ook menselijke embryomodellen te maken uit geïnduceerde pluripotente stamcellen. Dat zijn stamcellen die gemaakt worden door volwassen cellen, bijvoorbeeld van de huid, terug te brengen naar een embryonale staat. Van den Brink legt uit: “Zo hopen we patiëntmodellen te maken. Stel, er wordt een kind geboren met een bepaalde hartafwijking. Dan zou je huidcellen kunnen afnemen en een embryomodel voor dat specifieke kind kunnen maken. Zo kun je onderzoeken hoe de hartafwijking ontstaat en welke genen daarbij betrokken zijn. Deze informatie zou vervolgens gebruikt kunnen worden om hartafwijkingen te voorkomen of om de screenings van embryo’s bij IVF-procedures te verbeteren.” Medische toepassingen Met de afronding van haar PhD zit haar tijd bij het Hubrecht Instituut erop. Van den Brink zou eigenlijk afgelopen september al vertrekken naar Barcelona voor een postdoc in het IMIM-instituut, maar door coronagerelateerde vertragingen wordt dat nu waarschijnlijk januari 2021. Eenmaal daar zal ze het gastruloïdemodel verder optimaliseren en onderzoeken welke medische toepassingen mogelijk zijn. “Best wel heel spannend, want dan gaan we zien of het door ons ontwikkelde embryo-model ook daadwerkelijk gebruikt kan worden voor medische toepassingen,” vertelt de kersverse doctor. Teamwork Van den Brink wil benadrukken dat ze haar onderzoek nooit alleen had kunnen doen: er kwam enorm veel samenwerking bij kijken. “Dat was echt wat mijn PhD-traject het allerleukst maakte: dat je alle ups-and-downs met een team meemaakt. Deze interactie met collega’s mis ik erg nu iedereen vanwege de huidige COVID19-maatregelen zoveel mogelijk thuis werkt.” Ook haar verdediging zag er door de huidige pandemie anders uit dan normaal en was gedeeltelijk digitaal. Een receptie of een feest na afloop zit er natuurlijk ook niet in. “Ik denk dat het voor nu een feestje via zoom wordt. Maar wie weet kunnen we, over een jaar of twee, een groot feest organiseren voor iedereen die ten tijde van de pandemie is gepromoveerd op het Hubrecht. Dat zou ook gelijk een leuke reünie zijn.” Susanne van den Brink start in januari 2021 met haar postdoc op het IMIM-instituut in Barcelona, waar ze het gastruloïde embryomodel verder wil optimaliseren en waar ze zal onderzoeken in hoeverre dit modelsysteem gebruikt kan worden voor medische toepassingen.
