Een groot probleem bij de ontwikkeling van nieuwe medicatie voor ALS patiënten is dat het nog grotendeels onbekend is waarom en hoe ALS ontstaat en dat het ziekteproces waarschijnlijk per patiënt verschilt. Om deze problemen aan te pakken zijn nieuwe modellen nodig die gebruik maken van cellen van patiënten en die ons in staat stellen per patiënt te gaan onderzoeken hoe ALS ontstaat en welke medicatie efficiënt zal zijn.
Door recente technologische ontwikkelingen zijn we sinds kort in staat huidcellen van mensen om te zetten naar motorische zenuwcellen (stamceltechnologie). Dit heeft geleid tot nieuwe inzichten in het ziekteproces van ALS. Om ALS te ontrafelen zijn naast humane motorische zenuwcellen ook andere cellen nodig betrokken bij het ziekteproces, bijvoorbeeld spiercellen en glia. Verder is een format nodig waarin we per patiënt kunnen nagaan welk ziekteproces ten grondslag ligt aan ALS en welke medicatie werkt.
Dit format is ontwikkeld door MIMETAS, een Nederlands bedrijf gespecialiseerd in het ontwikkelen van de zogenaamde organ-on-a-chip aanpak. In deze chips kunnen patiënt-cellen worden geplaatst en vervolgens worden gebruikt voor het visualiseren van het ziekteproces (bijvoorbeeld door middel van microscopie) en het screenen van medicatie of genetische manieren om genetische defecten te repareren.
In dit onderzoek gaan we onze expertise in het maken van humane cellen combineren met de expertise van MIMETAS in het maken van organs-on-a-chip. We zullen een zogenaamde neuromusculaire unit maken waarin motorische zenuwcellen omgeven door glia cellen contact maken met spiercellen en deze reguleren. Deze neuromusculaire unit is een beter model voor ALS, omdat het zowel de zenuw- als de spiercel bevat, als ook gliacellen die tevens een belangrijke bijdrage leveren aan het ziekteproces.
We zullen eerst de chip optimaliseren voor onderzoek aan motorische zenuwcellen en ALS, en vervolgens technieken testen om verschillende parameters in motorische zenuwcellen, gliacellen en/of spiercellen te meten in de chip. Deze technieken gaan we vervolgens gebruiken om cellen uit patiënten met specifieke genmutaties verder te karakteriseren. Tenslotte zullen we een screen doen met een klein aantal therapeutische compounds om te bevestigen dat het nieuwe ALS-on-a-chip model kan worden gebruikt voor drug screening.
Het uiteindelijke doel van dit project is om een ALS-on-a-chip model te ontwikkelen om verder inzicht te krijgen in het ziekteproces van ALS en om, uiteindelijk per patiënt, te testen welke medicatie effectief is in het vertragen of stoppen van dit ziekteproces. Een belangrijke opbrengst van dit project is een ALS chip die kan worden gebruikt door de ALS research community voor het verder ontrafelen van de pathologie die leidt tot de ziekte en voor het vinden van nieuwe medicatie.
Als eerste stap in het project hebben we een 2-dimensionaal (2D) neuromusculair contactpunt gemaakt. Dat is het punt waar de motorische zenuwcel en spiervezel met elkaar contact maken. Hiervoor hebben we zenuwcellen van gezonde mensen, verkregen met de iPSC-techniek (waarbij een menselijke huidcel gekweekt wordt tot een motorische zenuwcel), gecombineerd met gekweekte skeletspiercellen uit een cellijn die beschikbaar is gesteld door het Institute of Myology in Parijs. Vervolgens hebben we het gemaakte 2D-contactpunt met verschillende chemische testen gekarakteriseerd.
De volgende stap was om deze neuromusculaire contactpunten patiënt-specifiek te maken, waardoor de cellen in de kweek hetzelfde zijn als de patiënt met ALS waarvan de huidcellen worden afgenomen. Hiervoor hebben we in samenwerking met dr. Pim Pijnappel van het Erasmus Medisch Centrum een protocol opgesteld. Daarnaast hebben we verschillende kwaliteitscontroles uitgevoerd van gekweekte iPSC motorische zenuwcellen in een grote groep van controle personen en ALS-patiënten.
Tegelijkertijd hebben we bij Mimetas spiercellen en motorische zenuwcellen gekweekt in de OrganoPlate. We hebben daarna gecontroleerd of deze cellen de juiste markers hadden en functioneel actief waren. We zijn nu aangekomen bij de volgende stap in dit project waar we motorische zenuwcellen en spiercellen daadwerkelijk in de uiteindelijke chip kunnen kweken. Om dit te doen hebben we een speciale uitwas-analyse ontwikkeld. Daarnaast zijn we nu bezig met ontwikkelen van verschillende technieken om op verschillende output signalen in de OrganoPlate te kunnen doen, waardoor we in de toekomst verschillende medicijnen kunnen screenen op de cellen.
In dit ‘ALS-on-a-chip’ project maken we een nieuw hulpmiddel in de vorm van een cellulair ALS model. Met behulp van stamceltechnologie herprogrammeren we cellen van patiënten, bijvoorbeeld huidcellen, in ‘geïnduceerde pluripotente stamcellen’ (iPSCs). iPSCs zijn cellen die weer opnieuw kunnen uitgroeien tot gespecialiseerde cellen, zoals motorische zenuwcellen of spiercellen. Deze iPSCs gebruiken we vervolgens voor ons cellulaire ALS model. Met deze patiënt-specifieke ALS modellen kunnen we uiteindelijk de meest effectieve behandeling per patiënt nagaan.
We hebben de afgelopen periode reproduceerbare en betrouwbare protocollen ontwikkeld om (iPSC) spiercellen en motorische zenuwcellen te maken. Om ALS celmateriaal met gezond celmateriaal te vergelijken hebben we een ‘mini’ biobank gemaakt van spiercellen en motorische zenuwcellen (met en zonder ALS-veroorzakende mutaties). Om deze biobank te vergroten zijn we samenwerkingen aangegaan met twee andere onderzoekscentra (Dr. Jared Sterneckert, Technische Universität Dresden en Dr. Irene Bozzoni, Sapienza University of Rome).
Een van de eerste defecten die optreden in ALS is een verstoorde communicatie tussen motorische zenuwcellen en spiercellen. Daarom zullen we in dit project een model maken van het contactpunt tussen de spiercellen en motorische zenuwcellen in de OrganoPlate® (met het bedrijf MIMETAS). Binnen MIMETAS zijn in de afgelopen periode successen geboekt met de ontwikkeling van deze methode.
Uitlopers van de motorische zenuwcellen groeien robuust en reproduceerbaar uit naar een spiercel compartiment. Dit is een goede afspiegeling van het menselijk lichaam, waarin zenuwuitlopers vanuit het ruggenmerg ook richting de spieren uitgroeien. De resultaten worden momenteel verwerkt in een wetenschappelijk artikel. We hebben daarnaast een tweedimensionaal (2D) systeem ontwikkeld waarin we motorische zenuwcellen en spiercellen samen kunnen kweken, om zo de communicatie tussen de twee te kunnen bestuderen.
Ook ontwikkelen we verschillende methodes om gezonde motorische zenuwcellen (en spiercellen) te vergelijken met die van ALS-patiënten. Dergelijke methodes zijn cruciaal om verschillen tussen ALS en gezonde cellen vast te stellen, zodat we uiteindelijk vele potentiële medicijnen kunnen testen die deze verschillen wegnemen.
In de afgelopen periode zijn we verder gegaan met het opzetten van een ‘mini’ biobank met geïnduceerde pluripotente stamcellen’ (iPSCs) van motorische zenuwcellen en spiercellen van controlepersonen en mensen met ALS. We hebben deze cellen gekarakteriseerd en meerdere fenotypes van ALS gevonden die geassocieerd worden met eiwitophopingen, mitochondriale disfunctie en het ontstaan van stresskorrels. Momenteel zijn we bezig met het maken van contactpunten tussen de spiercellen en motorische zenuwcellen in de OrganoPlate®
Daarnaast hebben we twee wetenschappelijke artikelen afgerond en gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift:
Een publicatie waarin we ons model beschrijven waarmee zenuwuitlopers in 3D bestudeerd kunnen worden (1). Dit model biedt diverse toepassingen om zenuwuitlopers te bestuderen en geeft op die manier nieuwe aanknopingspunten voor medicijnontwikkeling
De andere publicatie (2) is een review waarin we beschrijven hoe we met microvloeistof toepassingen betrouwbaardere modellen van contactpunten tussen de spiercellen en motorische zenuwcellen kunnen ontwikkelen. Daarnaast belichten we het belang van de ontwikkeling van nieuwe analysemethodieken die het ontstaat van ALS in het lichaam bestuderen om zo nieuwe aanknopingspunten voor nieuwe medicijnen te vinden.
(1) de Jongh R, Spijkers XM, Pasteuning-Vuhman S, Vulto P, and Pasterkamp RJ “Neuromuscular Junction-on-a-Chip: ALS Disease Modelling and Read-out Development in Microfluidic Devices” (submitted) (2) Spijkers XM, Pasteuning-Vuhman S, Vulto P, Wevers NR, Pasterkamp RJ “A Directional 3D Neurite Outgrowth Model for Studying Motor Axon Biology and Disease” (submitted)
In de afgelopen periode hebben we een studie gepubliceerd in Scientific Reports waarin we een 3D zenuw (of axonaal)-uitgroei model beschrijven (zie https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33483540/). Dit model is van belang voor het bestuderen van defecten in de motorneuronen en hun zenuwen, om zo meer inzicht te krijgen in ALS, terwijl het ook toepassingen heeft om te onderzoeken hoe zenuwuitlopers beter kunnen regenereren na schade door trauma.
Daarnaast hebben we een review gepubliceerd in het Journal of Neurochemistry, waarin we het belang van microfluidische systemen bespreken om meer inzicht in ALS te verkrijgen. Hierin wordt ook kort toegelicht hoe de systemen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe medicatie (zie https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33382092/).
Tevens hebben we onze ‘mini-biobank’ aan spiercellen en motorneuronen vergroot (met zowel primaire cellen als cellen verkregen vanuit stamcellen). Hiervoor zijn stamcellen van gezonde donoren en ALS-patiënten gebruikt, om zo donorspecifieke modellen op te zetten. Beide celtypen zijn ook succesvol in de OrganoPlate gekweekt. Ook hebben we spiercellen van deze celtypen gekweekt. Deze laten niet alleen de juiste markers zien, maar trekken zelfs daadwerkelijk samen, zoals ook het geval is in het menselijk lichaam.
In de nabije toekomst willen wij ons richten op het motorneuron model, waarbij we cellen van ALS patiënten gaan vergelijken met die van mensen zonder ALS. Daarnaast wordt dit model gebruikt als uitgangspunt voor de ontwikkeling van een meer complex model waarin motorneuronen contact maken met spiercellen, om zo de communicatie tussen beide celtypen te bestuderen.
Er is momenteel een dringende behoefte aan nieuwe technologie die dierproeven kan aanvullen, om zo ALS beter te begrijpen en om nieuwe medicijnen mee te ontwikkelen. Defecten in de communicatie tussen motorneuronen en spiercellen gebeuren al vroeg in het ALS ziekteproces en zijn dus een belangrijk aangrijpingspunt voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.
In het afgelopen half jaar hebben we onze ‘mini’ biobank aangewend om zo succesvol gezonde en ALS motorneuronen in onze experimenten te gebruiken. Hierin zijn gezonde motorneuronen vergeleken met die van ALS-patienten met een ataxine-2 (ATXN2) mutatie. Er is gekeken naar processen die vaak slechter werken binnen ALS. Zo hebben we gekeken naar het proces waarbij stamcellen in motorneuronen worden omgezet. Daarnaast hebben we processen onderzocht die belangrijk zijn voor het goed functioneren van de verkregen motorneuronen. Deze omvatten mitochondriaal functioneren, elektrofysiologische activiteit en stress granulen. Stress granulen vormen wanneer cellen stress ervaren en verdwijnen weer als de stress ook verdwijnt. Er zijn aanwijzingen dat stress granulen moeizamer verdwijnen in motorneuronen van ALS-patienten.
Daarnaast is er progressie gemaakt binnen de ontwikkeling van het neuromusculaire junction model, welke de communicatie tussen motorneuron en spiercel nabootst. Hierbij zijn we in staat om contactpunten tussen beide celtypen te creëren. Dit komt voor een deel doordat we spierbundelformatie van de spiercellen verbeterd hebben. In de toekomst zullen we bezig blijven met het vergroten van het aantal contactpunten in het model, waarbij ook naar functioneel contact zal worden gekeken. Tevens zullen we bezig blijven om gezonde met ALS motorneuronen te vergelijken, wat tot nieuwe inzichten in ALS ziekteprocessen kan leiden.
Tot slot hebben we gewerkt aan een nieuw model om meer inzicht te krijgen in wat er misgaat in de zenuwuitloper van de motorische zenuwcel tijdens het ALS ziekteproces. We zijn goed in staat het cellichaam van de zenuwuitloper te scheiden, zodat we specifiek de zenuwuitloper kunnen bestuderen. Door in kaart te brengen welke genen tot expressie komen, kunnen we iets zeggen over de processen die plaatsvinden in de uitlopers. Dit model hebben we in de afgelopen periode gevalideerd en we zijn momenteel bezig om de processen in gezonde en ALS zenuwuitlopers met elkaar te vergelijken.
Er is momenteel een dringende behoefte aan nieuwe technologie die dierproeven kan aanvullen, om zo ALS beter te begrijpen en om nieuwe medicijnen mee te ontwikkelen. ALS beïnvloedt motorneuronen in het brein en in het ruggenmerg, welke beide van belang zijn voor het aansturen van spiercellen. Defecten in de communicatie tussen motorneuronen en spiercellen gebeuren al vroeg in het ziekteproces en zijn dus een belangrijk aangrijpingspunt voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.
In het afgelopen half jaar zijn we verder gegaan met het vergelijken van gezonde en ALS motorneuronen in onze modellen. We hebben gefocust op stress granulen, omdat er aanwijzingen waren dat deze moeizamer verdwenen in motorneuronen van ALS patiënten nadat deze aan stress waren blootgesteld.
Ook hebben we, omdat we in ons neuron-spier co-kweek model enkel sporadisch contactpunten tussen beide cellen zagen, een methode ontwikkeld om het aantal contactpunten te verhogen. Deze contactpunten zijn belangrijk voor de innervatie van de spiercellen, en zijn vaak aangetast in het ALS ziekteproces. In de toekomst zullen we dit model verder ontwikkelen en blijven we bezig met de vergelijking ALS en gezonde motorneuronen, om zo meer inzicht in het ALS ziekteproces te krijgen.
In een ander project waarin we gezonde motorneuronen vergelijken met die van ALS-patiënten, kijken we naar het effect van een mutatie in het FUS-gen. Hierbij willen we specifiek inzicht krijgen in wat er misgaat in de zenuwuitloper van de motorische zenuwcel tijdens het ALS ziekteproces door de FUS mutatie. Omdat we goed in staan zijn de zenuwuitloper van het cellichaam te scheiden, kunnen we specifiek de processen die plaatsvinden in de zenuwuitloper bestuderen.
In de afgelopen periode hebben we zowel gezonde motorneuronen als motorneuronen van ALS-patiënten met een FUS mutatie gekweekt om vervolgens te analyseren welke genen tot expressie komen. Momenteel zijn we bezig met de analyse hiervan met als doel om in kaart te brengen welke processen in de zenuwuitlopers van ALS-patiënten met de FUS mutatie zijn veranderd.