De techniek rondom organoïden is inmiddels zo ver ontwikkeld dat ook minder voor de hand liggende weefsels worden gemaakt, met allerlei interessante toepassingen. 

Organoïden zijn overal. Sinds Hans Clevers met collega’s in 2009 als eerste mini-darmen wist te maken van stamcellen van de darm, is het veld geëxplodeerd. Mini-longen, mini-levers, mini-nieren; vrijwel elk orgaan in het menselijk lichaam wordt nu nagemaakt. Maar niet alleen de voor de hand liggende organen zijn onderwerp van onderzoek. Ook weefsels zoals tumoren, de huid of de baarmoeder staan in de belangstelling. En deze bijzondere organoïden kunnen veel waardevols opleveren, van alternatieven voor proefdieren tot betere behandelingen voor ziektes.

Om een organoïde te maken gebruikten onderzoekers in eerste instantie stamcellen uit embryo’s, die ze met behulp van groeifactoren programmeren om elke gewenste cel te maken. Dit werkte goed, maar had een paar nadelen, vertelt hoogleraar moleculaire genetica Hans Clevers van de Universiteit Utrecht: ‘Die cellen moeten veel stappen nemen om tot bijvoorbeeld een hartcel te komen. Het is dus een foutgevoelig proces, in elke stap kan wel iets misgaan.’

Clevers en zijn collega’s ontwikkelden daarom een andere techniek. Zonder embryonale stamcellen, maar met stamcellen uit het orgaan waar ze geïnteresseerd in zijn. ‘We vonden LGR5-stamcellen in darmcellen van een muis, die continu bleven delen’, zegt Clevers. ‘Met behulp van deze cellen konden we een vrij complete mini-darm maken. We kweken hierbij vooral de epitheelcellen, dus niet de hele structuur.’

Tumoren

De techniek bleek ook toepasbaar op allerlei menselijke cellen, en dit opende een wereld aan mogelijkheden. Zo kijkt Clevers nog steeds naar de darm, maar doet hij ook onderzoek naar tumoren. ‘Informatie over tumoren komt nu vooral uit muizenstudies. Dit is een traag proces, je moet de muis eerst muteren, dan laten groeien en uiteindelijk testen. Je bent zo 2 jaar verder. Wij denken dat je met tumororganoïden net zo veel kunt leren, en dan heb je ook minder proefdieren nodig.’

Om deze tumoren te kweken, gebruikt Clevers een vergelijkbaar protocol als bij andere organoïden: ‘We starten met LGR5-stamcellen van een tumor, en zoeken naar de juiste mix van groeifactoren en omstandigheden waarin deze cellen zich gaan vermenigvuldigen.’ Helaas werkt dit niet op alle tumoren. ‘Onze groeitechniek is gebaseerd op epitheelcellen, dus kijken we alleen naar tumoren met dat type cel. Gelukkig bestaat 90 procent van alle soorten kanker uit dit soort tumoren.’

Een groot voordeel is dat de onderzoekers verschillende stadia van de tumoren kunnen kweken. ‘We hebben bijvoorbeeld alle voorstadia van baarmoederhalskanker gemaakt, zodat we al deze stadia kunnen onderzoeken.’ Ook biedt deze methode de mogelijkheid om specifieke behandelingen te testen. ‘We kunnen tumorcellen uit een patiënt halen en deze in het lab kweken om te zien hoe ze reageren op verschillende medicijnen.’

De Utrechtse onderzoekers werken momenteel aan een biobank voor darmkanker. ‘Iedere tumor is anders, en dat willen we in kaart brengen. Nu bepalen artsen welke behandeling de patiënt krijgt op basis van statistiek, en wat er gemiddeld het beste werkt. Maar er zijn altijd mensen bij wie de standaard medicijnen niet werken. Als we met behulp van deze organoïden meer gepersonaliseerd advies kunnen geven, zou dat heel mooi zijn.’

Clevers is niet de enige die aan dit soort onderzoek werkt, maar toch denkt hij dat het wel nog even duurt voor ziekenhuizen zo’n gepersonaliseerde diagnose kunnen invoeren. ‘De technieken die wij gebruiken vind je niet in een standaard diagnostieklab, en het is nog veel te duur. Bovendien is het proces nog niet goed gestandaardiseerd, en is de uitkomst soms afhankelijk van hoe ervaren een onderzoeker is.’ Daarom werkt hij nu samen met bedrijven aan toegankelijkere apparatuur: ‘We willen een standaardprotocol ontwikkelen en het proces automatiseren.’

Een dikke huid

Maar voor het zover is, richt de hoogleraar zich vooral op het vervangen van proefdieren. ‘Ik denk echt dat organoïden hier een mooi alternatief voor zijn, dus het is een logische stap.’ Ook Jaimy Klijnhout, promovendus in het lab van Ellen van den Bogaard van het Radboudumc, noemt minder proefdieren als belangrijke motivatie voor zijn organoïdenonderzoek. ‘Er is een grote druk vanuit de maatschappij om minder proefdieren te gebruiken. Dieren zijn sowieso niet helemaal gelijk aan mensen, dus het is belangrijk dat we blijven werken aan alternatieven die misschien zelfs een betere representatie geven.’

‘Er is een grote druk vanuit de maatschappij om minder proefdieren te gebruiken’

Klijnhout werkt aan organoïden van de huid. Een heel interessant weefsel waar we niet genoeg over weten, aldus Klijnhout: ‘Iedereen kent wel iemand met eczeem of andere uitslag. De mechanismes hierachter zijn nog niet goed begrepen. Door huid na te maken in het lab, kunnen we meer leren.’

Het Nijmeegse lab richt zich op de epidermis, de bovenste laag van onze huid. ‘De epidermis bestaat niet uit één laag, maar is opgebouwd uit verschillende soorten cellen.’ Dit bootst Klijnhout na door de organoïde in lagen op te bouwen. ‘We starten met huidcellen van een patiënt of cellijnen die we in het lab hebben. Deze zaaien we op een plastic filter, boven op een medium met voedingsmiddelen. Zo stimuleren we de cellen van onderuit om te groeien, net als in ons lichaam gebeurt.’ Dat klinkt eenvoudig, maar de huid laat zich niet zomaar namaken. ‘In principe is het gewoon een kwestie van het protocol volgen’, lacht Klijnhout. ‘Maar je kunt aan veel knoppen draaien, en het kweken en verzorgen van het model is een delicaat proces.’

Uiteindelijk bestaat de organoïde uit ongeveer zes cellagen op elkaar. Dit ziet er niet altijd hetzelfde uit. ‘Mensen hebben ontzettend veel verschillende fenotypes als het gaat om de huid, en dat zien we ook terug in onze modellen.’ Maar deze variatie biedt ook voordelen. ‘We hebben een biobank van verschillende huiddonoren, daar kunnen we veel van leren en het geeft een representatiever beeld van de populatie.’

De organoïden zijn niet honderd procent gelijk aan onze eigen huid. ‘In onze huid heb je allerlei vouwing, en dat is op zo’n plat vlak lastig na te bootsen’, zegt Klijnhout. ‘En sommige eiwitten komen in onze mini-huid ook niet tot expressie.’ Toch vormt de organoïde een goede basis voor onderzoek. ‘Verschillende studies hebben al aangetoond dat de huidorganoïden vrijwel hetzelfde reageren als echte huid, dus we kunnen er zeker goed onderzoek mee doen. En dat maakt het volgens mij ook interessant als alternatief voor proefdieren voor bijvoorbeeld cosmetica.’

Klijnhout kijkt zelf naar inflammatoire huidziekten. ‘Ik probeer het mechanisme van eczeem te ontrafelen. Hiervoor kijken we naar genetische factoren, de interactie van de huid met de bacteriën, en ontsteking van de huid. Nu gebruiken we nog drie losse huidmodellen hiervoor, maar we willen dit graag samenvoegen om een compleet plaatje te krijgen. Hopelijk kunnen we op termijn dan ook betere voorspellingen doen over de behandeling van patiënten.’

Vruchtbaarheid

Andere onderzoekers werken aan organoïden omdat ze niks aan diermodellen hebben. ‘Voor onderzoek naar vruchtbaarheid kunnen we naar andere dieren kijken, maar dit zegt niet zo veel over de situatie bij mensen’, vertelt Susana Chuva de Sousa Lopes, hoogleraar ontwikkelingsbiologie bij het Leids Universitair Medisch Centrum. ‘Dus moeten we andere oplossingen vinden.’

Organoïden bieden een mogelijke uitkomst, maar zijn in dit vakgebied nog niet zo ver ontwikkeld. ‘Ik denk dat veel wetenschappers zeggen dat de organoïden waarmee zij werken nog niet zo ver zijn als ze zouden willen’, lacht Chuva de Sousa Lopes. ‘Maar wij staan echt nog aan het begin. Vruchtbaarheidsproblemen zijn in principe niet dodelijk, en er heerst ook een beetje een taboe op het onderwerp. Dus het veld begint de laatste jaren pas echt op gang te komen.’

Chuva de Sousa Lopes werkt zelf aan verschillende organoïden, waaronder eierstokken en testikels. ‘We proberen het proces van rijping van eicellen en spermacellen na te bootsen.’ Hiervoor gebruikt ze stukjes eierstokken of teelballen: ‘We proberen de juiste mix van kweekcondities te vinden om deze cellen te laten uitgroeien en te zorgen dat het rijpe voortplantingscellen worden.’ Een heel lastig proces, geeft de hoogleraar toe: ‘Het is echt heel moeilijk, want de omgeving voor deze cellen komt heel precies. We hebben al stappen gezet in het rijpingsproces, maar we zijn nog ver verwijderd van het verkrijgen van volledig rijpe voortplantingscellen.’

Het onderzoek komt voort uit de wens om mensen te helpen. Jonge vrouwen met kanker krijgen soms de kans om hun eierstokken met zeer onrijpe eicellen in te vriezen voor ze chemo ondergaan. Maar bij terugplaatsing werkten de eierstokken vaak niet meer. Chuva de Sousa Lopes: ‘Wij willen helpen om de eicelrijping weer op gang te brengen. Daarnaast hopen we het hele proces beter te begrijpen zodat we mensen in fertiliteitstrajecten ook betere kansen kunnen bieden.’

Daarom werkt Chuva de Sousa Lopes ook aan het kweken van baarmoederorganoïden. ‘De baarmoeder is een bijzonder orgaan. Maar drie dagen in de hele cyclus heeft het de juiste omstandigheden om een embryo succesvol in te laten nestelen. Wij proberen baarmoederorganoïden te kweken zodat we kunnen ontdekken wat er speciaal is aan die drie dagen, en of we deze tijd misschien wel kunnen uitbreiden.’

Het lastigste aan haar onderzoek is volgens Chuva de Sousa Lopes het krijgen van genoeg bronmateriaal. ‘Er zijn niet zo veel eierstokken, testikels of baarmoeders beschikbaar voor wetenschappelijk onderzoek. Bij vrouwen boven de 40 bevatten de eierstokken nog maar relatief weinig eitjes.’ Daarnaast brengt het onderzoek ook veel ethische obstakels met zich mee. ‘Het is begrijpelijk dat er goed gecontroleerd moet worden bij dit soort werk.’ 

Maar de hoogleraar zal nooit opgeven. ‘Het is een moeilijk proces waar we eigenlijk nog te weinig over weten, en cellen begrijpen vaak niet wat we van ze willen. Maar het is ook een mooie uitdaging! Als het lukt, kunnen we heel veel mensen helpen. En dat is waar het om gaat.’