Een stamcel is een cel die zichzelf kan vermenigvuldigen en zich kan specialiseren tot tenminste één andere celsoort. Er zijn twee soorten stamcellen; embryonale stamcellen en volwassen stamcellen. Volwassen stamcellen zijn te vinden in een groot aantal organen en kunnen zich ontwikkelen tot een beperkt aantal celtypes, terwijl embryonale stamcellen pluripotent zijn. Dat wil zeggen dat de stamcellen zich kunnen specialiseren tot alle 220 celtypes die voorkomen in het menselijke lichaam. Humane embryonale stamcellen worden geïsoleerd uit een celklompje, blastocyst genaamd, wat een overblijfsel is van IVF behandelingen. Humane embryonale stamcellen kunnen in een kweekschaaltje eeuwig doorgroeien. Deze unieke eigenschappen maken humane embryonale stamcellen zeer aantrekkelijk als model om menselijke ontwikkelingsbiologie te onderzoeken, ziekten te bestuderen, medicijnen te ontwikkelen en deze op veiligheid te testen.
Om aan deze toepassingen te kunnen werken moeten er eerst een aantal problemen worden opgelost (hoofdstuk 1). Zo is het belangrijk dat de stamcellen efficiënt blijven delen. Daarnaast moeten de stamcellen hun stamcelidentiteit houden tot het moment dat de onderzoeker besluit dat ze zich mogen differentiëren (specialiseren tot een ander celtype). Verder is het erg belangrijk dat dit proces goed gestuurd kan worden. Het is nou eenmaal niet handig als de onderzoeker in hartspiercellen geïnteresseerd is, terwijl de stamcellen zich differentiëren in botcellen. Ten slotte is het van belang dat het DNA van de stamcellen gericht aangepast kan worden. Als we geïnteresseerd zijn in een ziekte die door een foutje in het DNA veroorzaakt wordt, willen we die fout kunnen aanbrengen in de stamcel om zo de ziekte te kunnen bestuderen.
Humane embryonale stamcellen groeien in grote kolonies op een laag van andere cellen die ervoor zorgen dat de stamcellen niet differentiëren. Omdat het kweekschaaltje regelmatig te klein wordt, moet de kolonie als een soort taart in stukjes verdeeld worden. Deze stukjes worden dan over gezet naar een nieuw schaaltje, zodat de cellen weer door kunnen groeien. Dit proces is zeer arbeidsintensief en dus inefficiënt. Daarnaast is het zo dat de cellen in de kolonies erg dicht op elkaar gepakt zijn, wat het erg moeilijk maakt om het DNA van de stamcellen gericht te veranderen. In hoofdstuk 2,3 laten we zien dat we de stamcellen kunnen laten groeien op een gel van speciale eiwitten. Door het gebruik van een enzym wat eiwitten aan de buitenkant van de cel kapot knipt, kunnen we de cellen van elkaar scheiden. De suspensie van cellen kan vervolgens verdeeld worden over een aantal nieuwe kweekschaaltjes. Op basis van deze nieuwe kweekmethode hebben we zeer efficiënte technieken ontwikkeld om de cellen genetisch aan te passen. Zo hebben we bijvoorbeeld een gen van een kwal toegevoegd; dit maakt de cellen groen fluorescent als je er met blauw licht op schijnt.
In hoofdstuk 4 zijn we begonnen met de verdere karakterisering van de stamcellen met behulp van massaspectrometrie, een zeer geavanceerde techniek om de aanwezigheid van
161
Nederlandse samenvatting
eiwitten te meten. Hieruit bleek dat stamcellen veel overeenkomsten met epitheelcellen vertonen, maar dat ze ook vimentine produceren. Dit zou erop wijzen dat ze een epitheel- tot mesenchymale transformatie hebben ondergaan. We hebben kunnen aantonen dat de aanwezigheid van vimentine eigenlijk een gevolg van stress is en in dit geval niets te maken had met epitheel tot mesenchymale transformatie. Humane embryonale stamcellen hebben dus een epitheel fenotype.
Epitheelcellen hechten in het lichaam aan een extracellulaire matrix. We bepaalden daarom de samenstelling en oorsprong van de extracellulaire matrix van stamcellen die groeien in kolonies op een laag van andere cellen en vonden dat alle bekende matrix eiwitten aanwezig waren (hoofdstuk 5). Daarnaast karakteriseerden we ook de receptoren voor extracellulaire matrix (integrines) op de stamcellen en concludeerden dat de stamcellen theoretisch aan alle extracellulaire matrix moleculen zouden moeten kunnen binden. Functionele experimenten wezen uit welke integrines belangrijk waren voor de verschillende matrices en dat stamcellen kunnen groeien op recombinant vitronectine. Deze vinding vormde de basis voor het eerste stamcelkweeksysteem waarvan alle componenten exact bekend zijn.
Vervolgens besloten we onze aandacht te richten op de vraag hoe stamcellen zich differentiëren. Stamcellen werden tot differentiatie gestimuleerd door het toevoegen van de groeifactor BMP4. Stamcel eiwitten werden vervolgens geïsoleerd en kwantitatief gemeten op tijdstip 0, op 30, 60 en 240 minuten na toevoeging van BMP4 (hoofdstuk 6). Naast de eiwitten zelf hebben we ook specifiek gekeken naar kinases, eiwitten die fosfaatgroepen toevoegen aan eiwitten, en naar gefosforyleerde eiwitten (eiwitten met fosfaat-groepen). Met deze methode hebben we 3067 fosfaatgroepen gevonden op een totaal van 5222 eiwitten. Ongeveer 50% van deze fosfaatgroepen werden gereguleerd binnen een uur na toevoeging van BMP4, wat op een zeer complex netwerk van signaleringsroutes duidt. Een van deze gereguleerde eiwitten was SOX2, een belangrijke stamcel eiwit. Dit laat zien dat het reguleren van fosfaatgroepen een belangrijk mechanisme voor differentiatie kan zijn. Na bio-informatische analyse vonden we de kinase CDK1/2 als een belangrijke regulator van stamcellen.
In hoofdstuk 7 beschrijven we een nieuwe cellijn die groen fluorescent kleurt zodra de cellen zich specialiseren tot hartspiercellen. Deze cellijn hebben we gebruikt om exact uit te zoeken welke groeifactoren er nodig zijn om hartvoorlopercellen en hartspiercellen te maken. We onderzochten deze hartvoorlopercellen verder en ontdekten dat deze cellen naast hartspiercellen ook gladde spiercellen en endotheelcellen kunnen worden. Dit laat zien dat stamcellen gebruikt kunnen worden om menselijke hartontwikkeling te bestuderen.
Ten slotte ontwikkelden we een methode om medicijnen te testen op bijwerkingen aan het hart (hoofdstuk 8). We kunnen menselijke embryonale stamcellen nu gecontroleerd laten uitgroeien tot hartspiercellen. Deze hartspiercellen lijken in veel opzichten op de cellen in het menselijke hart. Zo vertonen ze elektrische activiteit, waardoor de klompjes hartspiercellen ritmisch samentrekken. Medicijnen konden getest worden door deze simpel toe te voegen aan
162 Nederlandse samenvatting
de celkweken en door de elektrische activiteit van deze cellen te meten. Op basis van deze metingen hebben we nu voor het eerst laten zien dat we hartspiercellen kunnen gebruiken om het effect van medicijnen op het menselijke hart te voorspellen.
In hoofdstuk 9 en 10 bediscussiëren we de voorgaande hoofdstukken en bespreken we de grootste hindernissen en kansen voor stamcelonderzoek. We concluderen dat de mogelijkheid om hartspiercellen uit stamcellen te maken enorme mogelijkheden biedt voor fundamenteel en toegepast wetenschappelijk onderzoek. De komende jaren zullen ontwikkelingsbiologen op basis van stamcellen nieuwe ontdekkingen doen, zullen er menselijke ziektemodellen gemaakt worden voor geneesmiddelenonderzoek en zullen de testsystemen voor medicijn veiligheidstesten verder verfijnd worden. Stamcelonderzoek zal dus bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe generaties veilige geneesmiddelen.
163