Pieter Vancamp levert beste doctoraat af
Tijdens het afgelopen PDL-symposium werd ook de driejaarlijkse PDL-Prijs voor Beste Doctoraatsthesis uitgereikt. De gelukkige winnaar is Dr Pieter Vancamp. Hieronder beschrijft Pieter waarover zijn onderzoek ging.
In de voetsporen van Aristoteles: het kippenembryo als uistekend model om het belang van een schildklierhormoontransporter voor hersenontwikkeling te begrijpen.
De complexe en ingenieuze opbouw van de omvangrijke menselijke hersenen is het resultaat van miljoenen jaren evolutie. We staan er dikwijls niet bij stil, maar onze hersenen stellen ons in staat om dagdagelijkse en ogenschijnlijk simpele taken met verbazingwekkende precisie uit te voeren. Meer nog, ze liggen aan de basis van onze identiteit. Ook andere dieren, en dan vooral diegene die behoren tot de groep van gewervelden, vertonen relatief complex gedrag aangestuurd door verhoudingsgewijs kleinere, doch vrij gesofisticeerde hersenen. Op miscroscopisch niveau zijn het de letterlijk triljarden zenuwcellen en hun verbindingen met elkaar die dit mogelijk maken. Het lijkt een beetje een talkshow met oneindig veel praatgasten, waarin elke gast precies weet wat en wanneer hij mag zeggen, en hoe luid hij dat mag zeggen.
Een intrigerende vraag die daaruit volgt is hoe deze entiteit precies tot stand komt. Hoe is het mogelijk dat, elke zenuwcel precies zit waar ie moet zitten, en precies doet wat-ie moet doen? Daarvoor moeten we terugkeren naar het begin van de hersenontwikkeling. Bij de mens en andere gewervelde dieren start de hersenaanleg al zeer vroeg in de embryonale ontwikkeling. Er treden drie belangrijke, achtereenvolgende processen op. In eerste instantie is een dun laagje stamcellen aanwezig die op dat moment identiteitsloos zijn en volop delen ter vorming van de immense hoeveelheid cellen voor later. Stilaan ontsnappen dochtercellen aan de delingscyclus, en banen zich een weg naar een voorbestemde plaats, een proces dat men celmigratie noemt. Daar vormen ze een netwerk van cellen dat elektrische prikkels ontvangt en verstuurt. Elke cel neemt een specifieke vorm en functie aan binnen dit netwerk, een proces dat celdifferentiatie heet. De timing en het verloop van deze processen moeten perfect op elkaar afgestemd zijn; ze vormen namelijk het basisplan van de hersenen dat grotendeels vastligt voor de rest van het leven.
Eén van de voornaamste factoren die dit in goede banen leidt, zijn de schildklierhormonen. Ze worden door de schildklier aangemaakt gebruikmakende van het aminozuur tyrosine als bouwsteen, en jodium dat we via ons voedsel opnemen. Ze coördineren bovenvermelde processen door in te spelen op de expressie van genen in zowat elke cel, en kunnen daarom terecht een van de architecten van de hersenen genoemd worden. Van essentieel belang is dat de hormonen in de juiste hoeveelheid aangevoerd worden gedurende hersenontwikkeling, want een licht tekort of overmaat kan onomkeerbare gevolgen hebben voor de hersenstructuur, en dus ook latere functies die daarmee geassocieerd zijn. Epidemiologische studies hebben bijvoorbeeld een duidelijk verband aangetoond tussen schildklierhormoontekort tijdens de embryonale periode en een verminderd leervermogen in kinderen.
Maar het wordt nog complexer. Vooraleer de schildklierhormonen hun doelwitreceptoren in de celkern kunnen bereiken, moeten ze twee barrières overwinnen. De eerste is de bloed-hersen-barrière, een afbakening met de bloedsomloop die verhindert dat schadelijke stoffen en ziekteverwekkers de hersenen binnendringen. Daarna moeten de hormonen de membraan van de zenuwcellen zelf nog oversteken. Het heeft geduurd tot aan het begin van de 21ste eeuw vooraleer men de eerste schildklierhormoontransporter ontdekte die dat mogelijk maakt, de monocarboxylaat transporter 8, afgekort MCT8. Deze transporter is al vanaf vroege ontwikkelingsstadia abundant aanwezig in onze hersenen. Een zeldzame mutatie in het gen dat codeert voor het MCT8-eiwit, treft mensen die leiden aan het Allan-Herndon-Dudleysyndroom. Zij vertonen een sterke mentale achterstand en zware motorische handicap. Jammer genoeg wordt dit syndroom pas geïdentificeerd enkele maanden na de geboorte, wanneer het vermoedelijk te laat is om de symptomen om te keren.
Hoewel het belang van MCT8 voor hersenontwikkeling duidelijk is, zijn onderzoekers er nog niet helemaal uit waar en wanneer het ontbreken van MCT8 leidt tot deze desastreuze gevolgen. We grijpen daarom terug naar diermodellen om de rol van MCT8 tijdens de hersenontwikkeling beter te begrijpen. Wij kozen voor het kippenembryo, dat zelfs al meer dan 2000 jaar geleden werd gebruikt door Aristoteles, een van de peetvaders van de biologie, om de mechanismen achter ontwikkeling te begrijpen. Hij besefte als eerste dat de ontwikkeling buiten het moederdier het mogelijk maakt om de meest vroege stadia onderzoeken, wat perfect in de lijn lag met onze onderzoekshypothese. Daarin stelden we voorop dat het gebrek van MCT8 in stamcellen de aanmaak, migratie en differentiatie van zenuwcellen al in een vroeg stadium kan belemmeren, en zo leidt tot onomkeerbare schade in de hersenstructuur.
Om dit te onderzoeken op celniveau, heb je een manier nodig om MCT8 uit te schakelen. Daarvoor hebben we een klein stukje DNA, een plasmide genoemd, gemodificeerd zodat het in de cel het boodschapper RNA (mRNA) afbreekt dat normaal dient als code voor het MCT8-eiwit. We lieten de kippenembryo’s dan eerst ontwikkelen door de eieren in een incubator te plaatsen bij constante temperatuur. Normaal gezien duurt het 21 dagen tot de kuikens uitkippen, maar om al vroeg de rol van MCT8 te bestuderen, knipten we al op dag 3 een klein venster in de eischaal, waarna het embryo zichtbaar wordt. Het stukje plasmide konden we dan doelgericht in cellen inbrengen door kort heel kleine elektrische veldjes aan te brengen. Die creëren poriën in de celmembraan waardoor het plasmide in de cel kan binnendringen waar het zijn werk doet. De kippenembryo’s ontwikkelden dan verder tot op het moment dat we een bepaald proces willen bestuderen.
Als eerste hebben we MCT8 uitgeschakeld in de Purkinjecellen van het cerebellum, ofwel de kleine hersenen, die de coördinatie van fijne bewegingen verzorgt en waar ons motorisch geheugen is gehuisvest. De Purkinjecellen zijn grote cellen die een centrale rol hebben in het verwerken van informatie, en hebben een typische dendrietenboom, die je je kan voorstellen als een sterk vertakt boompje. Zonder MCT8 ontwikkelde deze dendrietenboom echter minder goed, wat de functie van deze cellen en dus ook het cerebellum sterk kan verstoren (Fig. 1). Dit bleek al heel vroeg in de ontwikkeling mis te lopen door een tekort aan eiwitten die nodig zijn voor de groei van de boom. Verbazingwekkend genoeg waren niet alleen Purkinjecellen zelf, maar ook de granulaire cellen aangetast. 50% van alle cellen in het cerebellum behoort tot dit celtype, maar hun delingsvermogen en migratiepatroon dat deels door Purkinjecellen wordt geregeld, was sterk verminderd.
In tweede instantie hebben we uitgezocht hoe het verlies aan MCT8 de aanleg van de cortex kan aantasten. De cortex is de hersenschors van onze grote hersenen, en is verantwoordelijk voor tal van functies zoals waarneming, beweging, maar ook taal en denkvermogen, functies die ook sterk aangetast zijn in Allan-Herndon-Dudley-syndroompatiënten. Een typische eigenschap van de cortex is dat hij opgebouwd is uit laagjes cellen. Hoewel die lagen ontbreken in de cortex van kippen, is er een ander hersendeel dat die eigenschap wel bezit, het optisch tectum. Na uitschakeling van MCT8 op het moment dat deze structuur nog maar een dun laagje cellen is, lopen er al snel een heel aantal zaken mis. Er treedt een tekort aan cellen op, en diegene die gevormd worden, migreren niet naar de juiste plaats (Fig. 2). Bovendien hebben ze problemen om het juiste celtype te vormen, wat zich uit in een disproportie van celtypes. Dit leidt tot een verstoord elektrisch netwerk en interfereert met een normale hersenwerking, en is vermoedelijk niet herstelbaar in latere fasen.
Onze resultaten tonen dus aan dat het gebrek aan MCT8 de aanleg en migratie van cellen, alsook de vorming van hun karakteristieke eigenschappen uit balans brengt, en dat al in een vroege fase van hersenontwikkeling. Dit bevestigt bevindingen in andere diermodellen en benadrukt steeds meer het belang van de vroege rol van schildklierhormonen, alsook MCT8 om hun opname te bewerkstelligen. Dat klinkt logisch; als architect moet je er al vroeg bij zijn om de fundering van de hersenen in goede banen leiden, anders krijg je gevaar op instorten. Toch wordt dit gedachtepatroon nog maar traag overgenomen in de gezondheidszorg. Vanuit biologisch perspectief hebben we een stap gezet in het verkrijgen van inzicht in hoe die complexe hersenen als entiteit tot stand komen. Zou schildklierhormoonopname via MCT8 mee aan de basis liggen van de buitengewone proporties van het brein bij gewervelden? Het is een interessante hypothese die duidelijk maakt hoe weinig we nog maar weten over een van de meest intrigerende werken van de natuur.
Pieter Vancamp
