Door Aafke Kok - Illustratie: Akiva et al., Advanced Functional Materials - 15-03-2021 - Celbiologie
3D-reconstructie van individuele cellen in de organoïde (elk verschillend gekleurd) met hun uitlopers, en collageen (cyaan), gebaseerd op elelektronenmicroscopie. Illustratie: Akiva et al., Advanced Functional Materials.
Het is gelukt een botorganoïde te maken met niet alleen osteoblasten, maar ook osteocyten en gemineraliseerd collageen.
Het eerste 3D-in vitro-model voor menselijke botontwikkeling is een feit: wetenschappers van de TU Eindhoven en het Radboudumc zijn er in geslaagd een botorganoïde te creëren uit humane stamcellen (Advanced Functional Materials, 9 maart). De organoïde is de in vitro-tegenhanger van zogeheten woven bone. Dit type botweefsel vormt tijdens de ontwikkeling en komt bij volwassenen voor na botbreuken. De collageenvezels zijn in woven bone minder strak georganiseerd en osteoclasten, de cellen die botweefsel weghalen, spelen nog geen rol.
Onder invloed van het juiste groeimedium laten de onderzoekers eerst humane stamcellen, ingezaaid in zijde-scaffolds, differentiëren tot collageen- en andere eiwitproducerende osteoblasten. ‘Tot zover niets nieuws’, aldus Anat Akiva, eerste auteur van het paper. ‘De volgende stap, die wij zetten, is om osteoblasten door mechanische stimulatie ook te laten differentiëren tot osteocyten. Deze cellen vormen het sensorische netwerk van bot. Ze sturen bijvoorbeeld signalen om schade te laten repareren.’
Netwerk
Met fluorescentie- en elektronenmicroscopie laten de Eindhoven- en Nijmegenaren zien dat de osteocyten in hun organoïde inderdaad een netwerk vormen. De cellen zijn verbonden via de uitlopers die ze maken, en op verbindingsplekken komt celcommunicatie-eiwit connexine voor. Een combinatie van histochemische analyse, spectroscopie en elektronenmicroscopie geeft vervolgens inzicht in de mineralisatie van collageen. ‘Veel mensen denken bij bot vooral aan een verzameling kalk. Maar de extracellulaire matrix is niet zomaar een mix van mineralen en collageen. Ze zijn precies op de juiste manier gerangschikt; de mineraaldeeltjes infiltreren als het ware de collageenvezels. Dat zien wij ook in onze organoïde, al gaat het nog niet overal goed.’
Nu het gelukt is een botorganoïde te maken, lonken toepassingen. Zo hopen de onderzoekers met hun systeem de rol van niet-collageeneiwitten in bot beter te begrijpen, en willen ze een organoïde maken met cellen van patiënten met osteogenesis imperfecta, om beter te begrijpen wat er mis gaat in de vorming en mineralisatie van collageen bij deze erfelijke aandoening.
‘Het is een waardevolle bijdrage aan de ontwikkeling van modelsystemen die als vervanging kunnen dienen voor dierproeven’, oordeelt hoogleraar regeneratieve biomaterialen Sander Leeuwenburgh (Radboudumc), over het werk van Akiva en collega’s. ‘De karakterisatie van de botorganoïde – en met name de imaging – is van een hoog niveau. De resultaten tonen aan dat het gevormde bot dankzij de gecontroleerde en mechanisch belaste co-kweek van osteoblasten en osteocyten in zijde-scaffolds steeds meer begint te lijken op natuurlijk bot. Deze publicatie is een mooie nieuwe stap richting de ontwikkeling van betrouwbare en voorspellende in vitro-modelsystemen voor botonderzoek.’