Geschreven door Dr Sarah Hernandez Bewerkt door Dr Jeff Carroll Vertaald door Gerda De Coster

Een nieuwe publicatie bericht over het gebruik van kleine 3D-hersenmodellen, gemaakt van menselijke cellen om aan te tonen dat de mutatie die de ZvH veroorzaakt, kan leiden tot vroege veranderingen in de ontwikkeling van de hersenen. Het is niettemin duidelijk dat ZvH-patiënten volledige volwassen hersencellen kunnen ontwikkelen die in de meeste gevallen tientallen jaren normaal functioneren. Laten we deze bevindingen dus in een context plaatsen en ingaan op wat deze ontwikkelingsveranderingen die zijn ontdekt met menselijke cellen in een schaal voor ZvH-patiënten kunnen betekenen.

De hand leggen op hersencellen van mensen zonder hersenstalen te verzamelen

Hoewel de ZvH uniek is voor de mens, hebben ook de meeste andere organismen een gemuteerde versie van het huntington-gen dat de ZvH veroorzaakt, namelijk huntingtine of kortweg HTT. Een verscheidenheid aan organismen kan dus worden gebruikt om de ZvH te bestuderen en elk model kan informatie verschaffen over de werking van de ziekte. Als een wetenschapper bijvoorbeeld wil weten of een experimentele behandeling de ZvH ten goede kan komen, kunnen ze fruitvliegen of zelfs wormen gebruiken om die antwoorden te krijgen.

Iedereen heeft unieke aspecten in zijn DNA. Door cellijnen te gebruiken die op alle manieren identiek zijn, behalve de CAG-verlenging in het huntington-gen, kunnen onderzoekers er zeker van zijn dat alle veranderingen die ze waarnemen te wijten zijn aan de ZvH.
Iedereen heeft unieke aspecten in zijn DNA. Door cellijnen te gebruiken die op alle manieren identiek zijn, behalve de CAG-verlenging in het huntington-gen, kunnen onderzoekers er zeker van zijn dat alle veranderingen die ze waarnemen te wijten zijn aan de ZvH.

Hoewel vliegen en wormen heel anders zijn dan mensen, hebben ze een zeer korte levensduur (ongeveer 14 dagen voor fruitvliegen) zodat wetenschappers snel antwoorden kunnen krijgen. Als ze willen weten wat er in een complexer brein gebeurt, kiezen wetenschappers vaak voor muizen. Maar om te begrijpen welke effecten hun werk op mensen zal hebben, moeten wetenschappers hun ideeën in mensen testen of op zijn minst op menselijke cellen.

In 2006 hebben twee afzonderlijke wetenschappers aangetoond dat je de biologische tijdlijn van een huidcel kunt omkeren, zodat deze in een ander celtype van het lichaam verandert. Meer recent zijn er zelfs bloedcellen gebruikt. Deze bewerkte cellen worden ‘geïnduceerde pluripotente stamcellen’ of iPSC’s genoemd.

Als wetenschappers geïnteresseerd zijn in het bestuderen van een hersenziekte zoals de ZvH, kunnen ze die iPSC’s vervolgens veranderen in de gewenste celtypen, zoals neuronen. En nog beter, als het huid of bloedcellen betreft van een ZvH-patiënt, hebben wetenschappers alles wat ze nodig hebben om de neuronen van die patiënt te bestuderen zonder een hersenstaal te moeten nemen. Niet alleen schitterende wetenschap, maar ook geweldig nieuws voor ZvH-patiënten die graag hun hersens willen behouden!

Gewoonlijk worden cellen gekweekt op het platte oppervlak van een petrischaaltje, maar recent hebben onderzoekers een manier bedacht om iPSC’s te laten groeien tot driedimensionale ballen die lijken op hersencellen in het klein in een vroeg stadium van de ontwikkeling. Deze 3D-structuren worden hersenorganoïden genoemd en gelijken op een klein model van de hersenen.

Door deze cellen in 3D te laten groeien, kunnen onderzoekers bestuderen hoe deze cellen zich organiseren naarmate de organoïde groeit en informatie verzamelen over zeer vroege gebeurtenissen in de ontwikkeling van de hersenen. Maar hoewel deze kleine hersenachtige structuren vroege ontwikkelingspatronen lijken te hebben die lijken op die van het menselijk brein, is het geen functionerende kopie want het heeft geen vermogen tot cognitief functioneren.

Je bent een mooie en unieke sneeuwvlok

In een recent onderzoek werden deze hersenorganoïden gebruikt om de impact te onderzoeken op de ontwikkeling van het brein door de mutatie die de ZvH veroorzaakt . Ze deden dit met behulp van 4 verschillende cellijnen die op alle manieren identiek zijn, behalve één: het Huntington-gen.

In een recent onderzoek werden deze hersenorganoïden gebruikt om de impact te onderzoeken die de ZvH-mutatie veroorzaakt op de ontwikkeling van de hersenen. Ze deden dit met behulp van vier verschillende cellijnen die op alle manieren identiek zijn, behalve één: het huntington-gen. Wacht even. Hoe kunnen vier verschillende cellijnen identiek en verschillend zijn?

Je kunt mensen beschouwen als sneeuwvlokken. We zijn allemaal uniek op onze eigen manier, niet alleen met duidelijke fysieke verschillen, zoals een andere haarkleur of oogvorm, maar ook op genetisch niveau. Ieder individu heeft een enigszins unieke make-up van de DNA-code die hem onderscheidt van anderen. Dus hoewel twee mensen de genetische code hebben die nodig is voor handen, kan de een heel lange en de ander korte vingers hebben.

Als onderzoekers dus cellen van twee mensen nemen, één met ZvH en één zonder, bevatten hun cellen niet alleen de verschillende CAG-lengten van het huntington-gen maar bevatten ze ook alle andere genetische verschillen die deze personen van elkaar onderscheiden! Dat kan voor wat verwarring zorgen omdat onderzoekers niet weten of de veranderingen die ze meten, het gevolg zijn van verschillen in hun huntington-gen of dat ze het gevolg zijn van een andere unieke wijziging in het DNA van die persoon.

Dus terug naar die identiek verschillende cellen. Om verwarring te voorkomen in hun onderzoek naar de vraag of de resultaten afkomstig zijn van verschillende CAG-lengten in het huntington-gen of een andere unieke DNA-code die een persoon heeft, gebruikten onderzoekers een reeks cellijnen die afkomstig waren van één enkele cellijn. Enkel het huntington-gen werd genetisch gewijzigd, zodat ze CAG-herhalingen van verschillende lengte bevatten.

In dit geval werd de CAG-herhaling verhoogd van 30 (iemand zonder een risico voor de ZvH) tot 45, 65 of 81 (respectievelijk voor volwassenen, adolescenten of juveniele ZvH), terwijl alle andere genen in deze cellen identiek bleven. Nu kunnen de onderzoekers er dus zeker van zijn dat eventuele verschillen tussen deze cellijnen expliciet te wijten zijn aan de veranderingen die ze in het huntington-gen teweegbrachten. Best slim!

Juveniele huntington die zeer jong begint is mogelijk geen zuiver degeneratieve aandoening

Recente ontwikkelingen hebben wetenschappers in staat gesteld om neuronen in 3D te laten groeien en zo een minibrein te modelleren.  In deze studie bleken juveniele ZvH-minibreinen (rechts) minder en kleinere interne structuren te hebben, hier in roze weergegeven, in vergelijking met organoïden van iemand zonder de ZvH (links).
Recente ontwikkelingen hebben wetenschappers in staat gesteld om neuronen in 3D te laten groeien en zo een minibrein te modelleren. In deze studie bleken juveniele ZvH-minibreinen (rechts) minder en kleinere interne structuren te hebben, hier in roze weergegeven, in vergelijking met organoïden van iemand zonder de ZvH (links).

Het eerste wat de onderzoekers opmerkten als zij alle vier cellijnen gebruikten om organoïden te maken is dat de drie ZvH-organoïden kleinere interne structuren ontwikkelden. De organoïden van alle vier de lijnen waren nochtans even groot. Dat de ZvH-organoïden kleinere interne structuren ontwikkelen die op hun beurt leiden tot de vorming van belangrijke hersencellen, neuronen genaamd, suggereert dat de ontwikkeling van de hersenen belemmert wordt. Dit werd echter alleen waargenomen bij organoïden die overeenkomen met adolescente (CAG van 65) en juveniele ZvH (CAG van 81), terwijl deze van volwassene ZvH (CAG van 45) vergelijkbaar waren met de organoïden van iemand zonder de ziekte.

Wat betekent dit nu? De auteurs interpreteerden hun bevindingen als volgt: de ontwikkeling van de hersenen wordt belemmerd door de ZvH-mutatie in gevallen van juveniele aanvang. Een alternatieve hypothese is echter dat de mutatie die de ziekte veroorzaakt de ontwikkeling kan vertragen.

Om dit na te gaan, bestudeerden de auteurs oudere exemplaren. Ze bekeken het verschil tussen de organoïden met 30 en 81 CAG’s en ontdekten dat ze nog steeds kleinere interne structuren hadden, zelfs op dit latere tijdstip. Het lijkt er dus op dat, in ieder geval voor juveniele ZvH-gevallen, de ontwikkeling van de hersenen in deze organoïden niet alleen wordt vertraagd, maar ook vastloopt. De organoïden bij adolescenten en volwassenen werden echter niet opgenomen in dit specifieke experiment.

Een andere belangrijke bevinding uit deze studie suggereert dat de organoïden met juveniele aanvang sneller neuronen vormen dan deze zonder de ZvH-mutatie. Maar als je op de hoogte bent gebleven van je ZvH-organoidenliteratuur, vind je dit misschien een beetje verwarrend omdat een publicatie die ongeveer een jaar geleden uitkwam precies het tegenovergestelde vond. ZvH-organoïden afgeleid van iPSC’s ontwikkelen zich trager tot neuronen dan organoïden zonder ZvH.

Betekent dit dat die ene studie correct is en de andere fout? Nee. Hoewel de twee onderzoeken tegengestelde effecten hebben gevonden in de snelheid van de organoide neuronenontwikkeling bij de ZvH, werd elke studie iets anders uitgevoerd: met behulp van verschillende cellijnen en meeteffecten op verschillende tijdstippen.

Waar beide studies het over eens zijn, is dat de mutatie die de ZvH veroorzaakt, leidt tot vroege veranderingen in de neurologische ontwikkeling. Maar dit betekent niet dat deze vroege veranderingen in de ontwikkeling niet kunnen gecompenseerd worden. In feite identificeerden de auteurs van de meer recente studie een medicijn om deze lagere metingen die ze hebben waargenomen in de ZvH-organoïden met juveniele aanvang gedeeltelijk te herstellen!

Waar beide studies het over eens zijn, is dat de mutatie die de ZvH veroorzaakt, leidt tot vroege veranderingen in de neurologische ontwikkeling. Maar dit betekent nog niet dat deze vroege veranderingen in de ontwikkeling niet kunnen gecompenseerd worden.

Maar hoe zit het met de organoïden die de ZvH bij adolescenten en volwassenen weergeven? Als je een voorstander bent van details, is het je misschien opgevallen dat de meeste bevindingen van deze studie zich alleen richten op organoïden die bij ZvH-jongeren gevonden worden en zij vertegenwoordigen ongeveer 5-10% van de ZvH-patiëntenpopulatie. Dit betekent dat deze onderzoeken een zeldzame vorm van een al zeldzame ziekte beoordelen. De auteurs van deze studie zijn echter ijverig in het interpreteren van hun bevindingen in de context van wat ze uit hun gegevens leren: “Al met al suggereren deze bevindingen dat de ZvH, althans bij een vroeg begin tijdens de jeugdjaren, mogelijk geen zuiver neurodegeneratieve aandoening is en dat abnormale neurologische ontwikkeling een onderdeel van de pathofysiologie kan zijn.” (pathologie of ziekteleer: studie van het ontstaan en verloop van ziekten, fysiologie houdt zich bezig met de werking (functie) van de organen).

Vers van de pers

Een ding om te onthouden over dit onderzoek is dat het momenteel is gepubliceerd in een ‘magazijn’ genaamd BioRxiv (uitgesproken als ‘bio-archief’). BioRxiv is een fenomenale bron omdat het gegevens publiceert voordat ze gepubliceerd worden en waar ze voor iedereen beschikbaar zijn. Hierdoor worden de gegevens sneller openbaar maar dit betekent ook dat het nog niet het wetenschappelijke proces van ‘peer review’ heeft doorlopen. Peer review of beoordeling door vakgenoten is een onbevooroordeelde evaluatie van de studie door andere wetenschappers in het veld die geen banden hebben met het project.

Beoordeling door vakgenoten is van cruciaal belang voor het handhaven van de grondigheid van wetenschappelijke studies en biedt de auteurs van de studie een doordacht extern perspectief van andere experts in hun vakgebied. Omdat deze studie nog geen beoordeling heeft gehad, kunnen de beoordelaars voorafgaand aan de publicatie extra toelichting vragen om enkele van de resultaten te verduidelijken of zelfs om verder onderzoek vragen naar de organoïden van ZvH-adolescenten en volwassenen. Je kunt deze studie dus op dit moment beschouwen als een onvoltooid boek. We zullen na de laatste publicatie terug kijken om zicht te krijgen op het volledige verhaal.

Zullen deze ontwikkelingsveranderingen ooit normaliseren?

Hoewel de organoïden erg cool zijn omdat ze ons met behulp van menselijke cellen kunnen vertellen over ZvH-gerelateerde veranderingen op cellulair niveau die zich al vroeg in de ontwikkeling voordoen, hebben we gegevens van echte patiënten nodig om het effect te interpreteren dat eventuele wijzigingen al dan niet hebben op een volledig ontwikkeld mens.

Organoïden bij jonge mensen met de ZvH ontwikkelen sneller neuronen en vertonen een achterblijvende ontwikkeling in vergelijking met organoïden bij personen zonder de ziekte of volwassen en adolescente met huntington. Dit suggereert dat de ontwikkeling van de hersenen bij jongeren met de ZvH anders verloopt.
Organoïden bij jonge mensen met de ZvH ontwikkelen sneller neuronen en vertonen een achterblijvende ontwikkeling in vergelijking met organoïden bij personen zonder de ziekte of volwassen en adolescente met huntington. Dit suggereert dat de ontwikkeling van de hersenen bij jongeren met de ZvH anders verloopt.

Een andere studie deed enkel dat en onderzocht de grootte van de verschillende hersenstructuren van kinderen en adolescenten (leeftijd 6 tot 18) met en zonder de volwassen vorm van de ZvH-mutatie met behulp van MRI. Dit zijn kinderen zonder symptomen van de ZvH, wiens ouders ermee hebben ingestemd om deel te nemen aan onderzoek om de vroegste veranderingen als gevolg van de ZvH-mutatie beter te begrijpen.

Deze studie meldde een groter striatum (een van de primaire hersengebieden aangetast door de mutatie die de ZvH veroorzaakt) reeds in de leeftijd van 6 tot 11 jaar bij ZvH mutatie-dragende kinderen, terwijl kinderen die de mutatie niet hebben pas een groter striatum hebben vanaf de leeftijd van 11 tot 18. Het lijkt er dus op dat de gen-positieve kinderen een snellere neurologische ontwikkeling doormaken, althans van het striatum, maar dat gen-negatieve kinderen hen op termijn inhalen en uiteindelijk een groter striatum krijgen op de leeftijden die in deze studie zijn onderzocht. Maar dit verschil lijkt vrij bescheiden te zijn, met slechts een schommeling van ongeveer 1 ml. Ter vergelijking: dit is ongeveer ¼ van een gummibeertje.

Studies als deze die niet-invasieve methoden gebruiken en zeer kleine veranderingen kunnen detecteren, zijn precies wat nodig is om de bijdrage te beoordelen van de ZvH op de ontwikkeling van de hersenen. Ze helpen bij het interpreteren van bevindingen uit studies die de zeer vroege ontwikkeling trachten in kaart te brengen bij mensen met behulp van studies zoals de organoïdestudie in een kweekschaal.

Uiteindelijk is onderzoek dat veranderingen in de ontwikkeling van de hersenen als gevolg van de ZvH aantoont nieuw, en hoewel biologisch interessant, weten onderzoekers nog niet wat het allemaal betekent in de context van de ziekte. Het is echter belangrijk om te onthouden dat onderzoekers ook werken aan het ontdekken van mechanismen die eventuele veranderingen in de hersenontwikkeling die ze rapporteren kunnen compenseren.