Het hormoonsysteem van een dier zit heel anders in elkaar dan dat van een mens. Juist om die reden zijn organoïden zo bruikbaar voor onderzoek in de endocrinologie. Daarnaast werken wetenschappers aan transplantatie van organoïden naar patiënten, in de hoop verloren gegane functies te herstellen.
tekst: Diana de Veld
Organoïden zijn ‘mini-orgaantjes’ gekweekt uit lichaamseigen materiaal van personen of dieren. ‘Stamcellen uit dat weefsel kunnen onder de juiste condities uitgroeien tot kleine 3D-structuren van maximaal ongeveer één millimeter groot’, vertelt dr. Jelte van der Vaart. ‘In zo’n organoïde vind je alle celtypen terug die je ook in het lichaam aantreft.’ Prof. dr. Rob Coppes: ‘Door de aanwezigheid van stamcellen kun je organoïden heel lang in kweek houden. Je kunt ze telkens uit elkaar halen en weer doorplaatsen, waarbij er steeds weer een structuur ontstaat die lijkt op die van het oorspronkelijke weefsel.’
De geschiedenis van organoïden is nog kort. ‘In 2009 onderzocht de groep van prof. Hans Clevers bij het Hubrecht Institute stamcellen in de darmen’, vertelt Van der Vaart. ‘Bij een poging om van één stamcel van een muis heel veel stamcellen te maken, activeerden onderzoekers de Wnt-pathway. Toen bleek dat die stamcellen opeens ook allerlei functionerende cellen maakten. Zo hadden ze bij toeval de eerste organoïde geproduceerd.’ Nog steeds maken onderzoekers organoïden door Wnt-signalering te activeren. ‘Daarnaast zijn EGF- en BMP-signalering van belang. Elk type orgaan heeft een andere cocktail van groeifactoren nodig om te kunnen groeien.’
Beter model
Juist voor endocrinologisch onderzoek zijn organoïden heel bruikbaar, aldus Van der Vaart. ‘De hormonale regulatie bij proefdieren is namelijk heel anders dan bij de mens. En tweedimensionale cellijnen van mensen komen traditioneel uit tumorweefsel, dus die vertonen niet de regulatie bij homeostase van gezond weefsel.’ Met organoïden is dat beter mogelijk. ‘Ik heb zelf eerst gewerkt aan schildklier-organoïden’, zegt Van der Vaart. ‘Daarmee lukt het heel goed om uit te zoeken welke factoren bijvoorbeeld bepalen of er meer hormoon wordt uitgescheden, en hoe je dat kunt blokkeren. Op die manier kun je in principe zonder klinische trial bepalen hoe je patiënten met een overactieve schildklier kunt helpen, al moet dat daarna natuurlijk altijd nog getest worden bij patiënten.’
Transplantatie
Coppes werkt ook aan schildklier- en daarnaast aan speekselklierorganoïden. ‘Met speekselklieren zijn we heel ver, we transplanteren al speekselklierorganoïden naar patiënten die bestraald zijn op de speekselklieren’, vertelt hij. ‘Ook schildklierorganoïden zouden we graag kunnen transplanteren naar patiënten bij wie de schildklier ontbreekt of niet meer functioneert’, vertelt hij. ‘We onderzoeken nu bij muizen op welke locatie je de organoïden het best zou kunnen transplanteren. De oorspronkelijke locatie is door de behandeling namelijk vaak fibrotisch en ongezond. Plaatsing tussen de darmen of in het vetweefsel bij de ellenboog of oksel – goed doorbloede locaties – lijkt het meest kansrijk.’
Uitdagingen
Een van de uitdagingen bij transplantatie van organoïden is het volume. ‘Het is ons nog niet gelukt om genoeg schildklierweefsel te genereren voor voldoende productie van schildklierhormonen in de patiënt’, zegt Coppes. ‘Daarnaast is ook de kweekmethode lastig. We gebruiken matri-gel geproduceerd door dierlijke tumorcellen, want synthetische gels werken nog niet goed genoeg. Maar dierlijke producten zijn lastig als je de organoïden in mensen wilt injecteren. Omdat wij nu nog losse cellen uit organoïden injecteren, kunnen we de matri-gel er goed afwassen, hebben we aangetoond. We hebben daarom toestemming voor fase 1/2-studies. De vraag is of het voldoende is voor een fase 3-studie. En als je gehele schildklierorganoïden wilt transplanteren, dan heb je zelfs wat matri-gel nodig om ze bij elkaar te houden. We zouden dan dus moeten aantonen dat die matri-gel veilig is voor mensen, waar ik overigens wel vertrouwen in heb. Maar beter is het als we een synthetische, diervriendelijke matri-gel ontwikkelen.’
Een ander probleem bij onderzoek naar transplantatie van schildklierorganoïden is de financiering. ‘Subsidieverstrekkers zien de noodzaak niet. Patiënten kunnen ook gewoon schildklierhormoon slikken, zeggen ze. Maar daarmee mis je de fijne afstemming. Heel veel patiënten reageren er niet goed op, ik hoor van endocrinologen over patiënten die zich ondanks suppletie beroerd voelen.’ Voor de ontwikkeling van het vakgebied is goed overleg tussen labonderzoekers en clinici sowieso van groot belang, vindt Coppes. ‘Ik heb persoonlijk heel goede ervaringen met het overleg met artsen. Zij weten het best waar patiënten behoefte aan hebben en sturen ons onderzoek in de juiste richting.’
Behandeleffecten voorspellen
Behalve voor transplantatie zijn schildklierorganoïden natuurlijk ook bruikbaar voor onderzoek. ‘Andere groepen onderzoeken de ontstaansmechanismen van schildklierkanker, bijvoorbeeld door genetische wijzigingen in organoïden aan te brengen’, vertelt Coppes. ‘En verschillende onderzoeksgroepen werken aan drug discovery voor schildklierkanker. Zelf laten wij organoïden uitgroeien uit allerlei soorten schildklierkanker zodat we in het lab kunnen voorspellen of een patiënt gaat reageren op een bepaalde therapie. Ook proberen we te achterhalen waarom sommige patiënten niet reageren op jodiumtherapie, zodat we die belastende behandeling bij hen achterwege kunnen laten.’ Zou je schildklierorganoïden ook kunnen gebruiken om behandeleffecten te voorspellen voor de individuele patiënt? ‘Theoretisch wel, maar het duurt best lang om een organoïde van voldoende omvang te kweken’, antwoordt Coppes. ‘We zouden dat proces moeten versnellen tot maximaal twee weken, óf een manier moeten ontwikkelen om een behandeling te testen op een kleinere hoeveelheid cellen.’
Bijnierschors-organoïden
Van der Vaart doet tegenwoordig geen onderzoek meer naar schildklier-organoïden, maar werkt als postdoc bij het UMC Utrecht aan bijnierschors-organoïden. ‘Onze artsen gaven aan dat ze hiervoor een beter onderzoeksmodel nodig hadden. De menselijke bijnierschors heeft namelijk drie zones die verschillende hormonen produceren; een muis heeft er slechts twee. Daarmee kun je de productie van het derde hormoon – een precursor van testosteron – dus niet bestuderen.’ Van der Vaart ontvangt van alle UMC’s in Nederland weefsel van patiënten die een operatie aan de bijnier ondergaan. ‘Dat weefsel wordt zo snel mogelijk verscheept naar Utrecht, waar we er een organoïde van maken. Daarmee bouwen we een soort biobank met organoïden van gezond bijnierschorsweefsel én van bijnierschorstumoren.’
De onderzoeksfocus ligt bij bijnierschors-organoïden momenteel op kanker. ‘Het is nu eenmaal makkelijker om tumorweefsel te bemachtigen’, verklaart Van der Vaart. ‘Een gezonde bijnier wordt niet zo snel uit een patiënt gehaald, hoewel we hier in het UMC Utrecht soms weefsel krijgen van patiënten met bijvoorbeeld hyperaldosteronisme bij wie de bijnier wordt weggehaald.’
Systemische behandeling zoeken
Voor bijnierschorstumoren bestaat op dit moment alleen chirurgische behandeling. ‘Dat werkt heel goed bij lokale tumoren, maar bij metastasering is de vijfjaarsoverleving slechts 10 procent’, zegt Van der Vaart. ‘Wij proberen daarom systemische behandelingen te vinden. We stellen de organoïden bloot aan meerdere chemo- en targeted therapieën om te ontdekken wanneer de organoïden doodgaan, in de hoop dat dat voorspelt welke therapieën aanslaan bij patiënten.’ Onderzoek naar immuuntherapie doet Van der Vaart niet. ‘In de klassieke organoïden mis je namelijk het immuunsysteem’, legt Van der Vaart uit. ‘We kunnen inmiddels wel immuuncellen toevoegen, maar dat staat nog in de kinderschoenen.’
Andere endocriene organen
Voor welke andere hormoonproducerende organen hebben organoïden potentie? ‘In de groep van Hans Clevers loopt veel onderzoek naar de baarmoeder en de eierstokken, die weliswaar niet onder de endocrinologie vallen maar wel hormonen produceren en er ook sterk op reageren’, antwoordt Van der Vaart. ‘Ook gebeurt daar onderzoek naar hormoonproducerende cellen in de darm. Verder kijkt men wereldwijd naar oplossingen voor diabetes door bijvoorbeeld organoïden te maken van de alfa- en bètacellen in de eilandjes van Langerhans.’
Voor hersenklieren, zoals de hypofyse, is nog weinig onderzoek naar organoïden gedaan. ‘Weefsel uit de hersenen is heel moeilijk te bereiken en bovendien zijn de organoïden uit volwassen stamcellen alleen geschikt voor epitheliaal weefsel’, verklaart Van der Vaart. ‘Er zijn wel groepen die hersenorganoïden laten groeien uit pluripotente stamcellen, maar ik weet niet of ze daarbij ook al kijken naar endocrinologische toepassingen.’
Ook in Groningen creëert men organoïden uit pluripotente stamcellen (iPS). ‘Het onderzoek bij het UMCG heeft zich inmiddels uitgebreid naar organoïden van darmen, lever en ook hersenen, en daarbij gaat het deels om iPS-organoïden’, zegt Coppes. ‘We hebben hier een genomics-faciliteit en een iPS-faciliteit, daar gaan we nu een organoïdenfaciliteit aan koppelen. Zo maken we het mensen makkelijker om gebruik te maken van de beschikbare kennis. We willen daarnaast een biobank aanleggen met ook zeldzame tumoren.’
Uitdagingen
Als grootste uitdaging voor onderzoek met organoïden binnen de endocrinologie noemt Van der Vaart dat hormoonproducerende cellen van nature niet goed prolifereren. ‘Daardoor zijn ze lastig te kweken, terwijl we juist in déze cellen geïnteresseerd zijn voor endocrinologisch onderzoek’, zegt hij. ‘Van darmen weten we dat er stamcellen in zitten die met de juiste cocktail van groeifactoren kunnen uitgroeien tot alle celtypen, maar voor endocriene organen is er nog geen specifieke populatie ontdekt die daarvoor kan zorgen. We weten dus ook niet precies welke cocktail we moeten maken om die stamcellen, áls ze er al zijn, te behagen.’
Hij noemt nog een andere uitdaging. ‘Ik denk dat het een belangrijke stap kan zijn als er erkenning komt van organoïden als representatief model voor patiënten’, antwoordt hij. ‘Zo hebben wij bij een patiënt met taaislijmziekte die met de standaardtherapie uitbehandeld was, aangetoond dat een nieuw medicijn heel goed werkte op zijn organoïden. Vervolgens is dat middel buiten de verzekering om op die jongen getest. Binnen een paar weken waren zijn symptomen enorm verminderd. Langzaamaan zetten we organoïden vaker in om te voorspellen of een therapie aanslaat bij een individuele patiënt, maar op dit moment mag dat officieel alleen nog retrospectief, we mogen geen advies uitbrengen. Dat zouden we wel graag willen om patiënten te kunnen helpen.’
Toekomst
Beide onderzoekers zien een mooie toekomst voor gebruik van organoïden binnen de endocrinologie. ‘De ontwikkelingen gingen zo enorm snel in de afgelopen vijftien jaar’, zegt Van der Vaart. ‘Er worden grote stappen gemaakt in het beter begrijpen van de biologie en het ontwikkelen en testen van nieuwe behandelingen. We staan nog maar aan het begin.’
Zo ziet Coppes veel potentie in combinaties van organoïden. ‘Eén organoïde vertelt nooit het hele verhaal. Als je combinaties kunt maken met onder meer bloedvaten, zenuwen en het immuunsysteem, bijvoorbeeld in een organ-on-a-chip of zelfs een volledig orgaan, dan komen we weer een stap verder.’ Zelf bestudeerde Coppes al de gevolgen van het toevoegen van stromacellen aan een kweek. ‘We werken ook met een groep in Brussel samen aan bioprinting, waarmee je eventueel een heel orgaan zou kunnen maken. Stel je voor, dat je een stukje leverweefsel afstaat en dan een aantal maanden later een nieuwe lever kunt ophalen uit het lab! Maar dat is wel heel verre toekomstmuziek.’
Verschenen in Endocrinologie, mei 2024