Inflammatie Triggert Celfusies die Neuronen zouden kunnen beschermen, volgens een Stanford Onderzoek

Volgens een nieuwe studie van de Stanford University School of Medecine triggert chronische inflammatie beenmergafgeleide bloedcellen om te reizen naar de hersenen en te fuseren met bepaalde types van neuronen en dit tot 100 keer frequenter dan tot nu toe gedacht.

Na de fusie beginnen de bloedcelkernen voorheen silentieuze neuron-specifieke genen tot uiting te brengen. Deze verrassende bevinding bij muizen suggereert dat de creatie van de gefuseerde cellen, heterokaryons genaamd, mogelijkerwijze een rol zou kunnen spelen in het beschermen van neuronen tegen schade en nieuwe deuren zou kunnen openen tot celgemedieerde gentherapie.

"Deze bevinding was totaal zonder precedenten en onverwacht," zei senior-auteur Helen Blau, PhD, de Donald E. and Delia B. Baxter Professor en directeur van de Baxter Laboratory in Genetic Pharmacology. "We krijgen hints dat dit biologisch interessant zou kunnen zijn, maar we hebben nog veel te leren." De research, geleid door Clas Johansson, PhD, een postdoctorale student in Blau's laboratorium, zal online gepubliceerd worden in Nature Cell Biology op 20 April.

De van beenmerg afgeleide cellen zijn bekend als bloedstamcellen, of hematopoiëtische stamcellen. Ze kunnen uitgroeien tot al de bloed- en immuun-cellen in het lichaam. Alhoewel het nageslacht van deze hematopoiëtische stamcellen eerder al toonde te fuseren met een variëteit aan andere celtypes in het lichaam, komt deze fusie zo onfrequent voor dat gedacht werd dat deze van weinig biologisch belang was.

Purkinjeneuronen zijn grote cellen in een gedeelte van de hersenen gekend als het cerebellum, wat betrokken is in evenwicht en motorische controle. Zij vormen verbindingen met vele andere neuronen, en regenereren niet. Zij zijn de enige cellen in de hersenen waarvan Blau en anderen aantoonden dat zij fuseren met deze beenmergafgeleide cellen bij muizen en mensen.

Eerdere studies die deze celfusie bij muizen onderzochten waren gebaseerd op het gebruik van lethale dosissen van bestraling om het hematopoiëtische systeem van een muis te vernietigen voorafgaand aan de introductie van bloedstamcellen die ontwikkeld werden om een groen fluorescerend proteïne tot uiting te brengen. De nieuwe bloedcellen zouden dan het dan afwezige hematopoiëtische systeem helemaal herbevolken met groen-fluorescerende cellen wiens oorsprong gemakkelijk kon worden geïdentificeerd. De onderzoekers konden dan heterokaryonen uitpikken in de hersenen door uit te zien naar groene neuronen tegen een neutrale achtergrond.

De onderzoekers, in samenwerking met wetenschappers aan de University of British Columbia in Vancouver, gebruikten deze techniek in de recente studie om een enkelvoudige hematopoiëtische stamcel te transplanteren en om te bewijzen dat de heterokaryons in de hersenen afgeleid waren van bloed. Alhoewel, omdat van zulke hoge bestralingsdosissen bekend was dat zij de natuurlijke barrière afbraken die de flow van cellen en moleculen tussen de hersenen en het bloed beperkte, vroegen Blau en haar collega’s zich af of die fusie nog wel zou plaatsvinden onder minder fysiologisch traumatische omstandigheden.

Ze gebruikten een techniek genoemd parabiose om bloedcellen die groenfluorescerende proteïnen tot uiting brengen te introduceren in een ongemodificeerd dier. In parabiose worden twee muizen heelkundig tesamen gebracht op zulk een manier dat zij een circulatiesysteem delen. Een muis werd ontwikkeld om de groene proteïne in al haar cellen tot uiting te brengen, de andere niet. Omdat de dieren een bloedvoorziening deelden gedurende verscheidene weken, brachten ongeveer de helft van de bloedcellen in de ongemodificeerde muis de groene proteïne tot uiting – genoeg om de onderzoekers in staat te stellen gefuseerde cellen in de hersenen te detecteren.

De onderzoekers vonden evidentie van fusie tussen bloedcellen en Purkinjeneuronen in dit bestralingsvrij systeem 20 tot 26 weken na heelkunde. In feite waren groene heterokaryones identificeerbaar vanaf 20 weken nadat de muizen gescheiden werden, wanneer de meeste bloedcellen in de ongemodificeerde muis geregenereerd waren als niet-gekleurde cellen.

Maar dan zag Johansson iets verrassend. Zoals in vroegere experimenten hadden de meeste muizen zeer lage aantallen gefuseerde cellen in hun cerebelli, maar enkele hadden er meer. Tot zelfs 100 keer meer.

"Clas stelde significant meer heterokaryons vast dan we ooit hadden in het verleden," zei Blau, "van minder dan 10 in een heel dier tot verscheidene honderden." Wanneer de onderzoekers dit van naderbij bekeken vonden ze dat die dieren, met hoger-dan-verwachte aantallen gefuseerde cellen, ook een inflammatoire huidaandoening hadden zoals bij verouderende laboratoriummuizen, idiopatische ulceratieve dermatitis genoemd. Dit type van chronische inflammatie tast het hele immuunsysteem van het dier aan, en veroorzaakt een veralgemeende immuunrespons.

De onderzoekers bevestigden dat de merkwaardige toename in aantal gefuseerde cellen gerelateerd was aan inflammatie door gebruik van de traditionele bestralings/beenmergtransplant benadering bij muizen met dermatitis. Uiteindelijk telden ze de gefuseerde cellen die zich vormen in een muismodel met multiple sclerose – een autoimmune aandoening gekarakteriseerd door inflammatie en schade aan het centrale zenuwstelsel. Neuroloog en multiple sclerose specialist Lawrence Steinman, MD, professor in de neurologie en in de neurologische wetenschappen aan de medical school, was co-auteur bij deze research en verschafte het muismodel voor de studie. Heterokaryons waren er bij sommige van deze muizen in de duizenden.

Nog intrigerender dan de inflammatie-geïnduceerde toename in aantal was een cross-species experiment dat aantoonde dat nuclei van rattenbloedstamcellen die gefuseerd waren met Purkinjecellen in muizen, de expressie stoppen van bloedcelproteïnen en beginnen met de expressie van ratneuron-specifieke genprodukten. Deze switch staat als voorbeeld voor een type van genetische reprogrammering die bron is geweest voor een aan de gang zijnd debat en van groot belang in de wereld van stamcelonderzoek. Zulke reprogrammering is kritiek voor de regeneratie van functioneel weefcel bij stamcellen.

"Wat we nu zien is dat dit fenomeen zich voordoet in het echte leven," zei Blau, die nu plant te bestuderen of zulke fusies schade of afsterven van Purkinjeneuronen kan vermijden. "We weten nog niet of deze functie voordelig is, maar we weten nu date er plaatsen zijn waar dit gebeurt aan vrij hoge frequenties onder bepaalde voorwaarden, en dat deze nuclei zelfs gereprogrammeerd kunnen worden."

Blau's en Steinman's Stanford medewerkers op dit onderzoek zijn ondermeer Sawsan Youssef, PhD; Regis Doyonnas, PhD; Kassie Koleckar en Colin Holbrook; evenzeer als Stephane Corbel, PhD, van the University of British Columbia PhD, en Fabio Rossi, MD, PhD.

Dit onderzoek werd gesponsord door de Wenner-Gren Foundation (Zweden), de af Jochnick Foundation (Zweden), de National Multiple Sclerosis Society, de National Institutes of Health, het Canadian Institute of Health Research, de McKnight Foundation en de Baxter Foundation.

Vertaling: Hendrik Clara

Bron: ALS Independence