Chinese onderzoekers presenteren in Science nieuwe biosensoren voor real-time visualisatie van neuropeptiden. ‘Deze techniek is een verrijking voor iedereen die onderzoek doet naar peptidegedreven neuromodulatie, ongeacht de onderzoeksvraag.’
Neuropeptiden functioneren als neuromodulatoren, die signalen tussen zenuwcellen overbrengen. Er zijn al meer dan 100 verschillende neuropeptiden beschreven, en in het brein spelen ze een rol bij een breed scala aan functies waaronder stofwisseling, slaap, voortplanting, stress en cognitie. Een cruciale rol is weggelegd voor GPCR’s (G-protein-coupled receptor), de eiwitten die werken als receptor voor neuropeptiden en zo essentieel zijn in het overbrengen van de signalen. Deze groep receptoren biedt daarmee een veelbelovend aangrijpingspunt voor medicijnen tegen uiteenlopende aandoeningen waaronder obesitas en slapeloosheid. Maar daarvoor is het noodzakelijk om precies te weten waar en wanneer een specifiek neuropeptide bindt aan de bijbehorende GPCR. Tot nu toe ontbrak het echter aan geschikte experimentele technieken om neuropeptide afgifte in ruimte en tijd te volgen. Bestaande methoden meten bijvoorbeeld veranderingen in enzymactiviteit of genexpressie en bieden dus slechts indirecte informatie over de neuropeptiden en hun receptor.
GRAB-sensoren
Een mogelijke oplossing bieden de zogeheten GRAB-sensoren en de onderzoeksgroep van Yulong Li (Peking University, Beijing) komt nu met een uitbreiding van deze techniek. Het bekende groen fluorescerende eiwit cpGFP (cp: circularly permutated) wordt hierbij gekoppeld aan GPCR-receptoren. Wanneer het gezochte neuropeptide aan een van de transmembraanlussen van de receptor bindt, verandert de conformatie van het GPCR-eiwit, wat resulteert in een toenemende fluorescentie van cpGFP.
Voorheen was het lastig om de optimale bindingsplek voor cpGFP aan GPCR te vinden, maar het team van Li heeft een universele methode ontwikkeld om voor veel verschillende GPCR-neuropeptide receptoren snel de juiste sensor te maken. Met hun nieuwe techniek heeft het Chinese team al GRAB-sensoren ontwikkeld voor diverse neuropeptiden, waaronder cholecystokinine (CCK), neurotensine (NTS), somatostatine (SST) en neuropeptide Y (NPY), en is volgens hen toepasbaar op bijna alle neuropeptide-GPCR-combinaties.
Validatie
Het Li-lab heeft niet alleen een groot aantal verschillende GRAB-sensoren ontwikkeld, maar heeft ook een uitgebreide in vitro en in vivo validatie uitgevoerd. De studies in muizen lieten zien dat deze biosensoren niet alleen effectief zijn in celkweken, maar ook in complexere biologische systemen. Volgens dr. Danai Riga, postdoc bij de afdeling Translational Neuroscience van het Universitair Medisch Centrum Utrecht, is de hoogwaardige validatie van de effectiviteit van sensoren, met verschillende aanvullende technieken, een van de redenen dat het onderzoek in Science is gepubliceerd.
‘Daarnaast is deze nieuwe techniek een verrijking voor iedereen die onderzoek doen naar peptidegedreven neuromodulatie’, vervolgt Riga. ‘De vragen die je nu kunt beantwoorden zijn eindeloos. Neuropeptiden zijn betrokken bij enorm veel processen, van spijsvertering en angst tot cognitie, noem het maar op! De techniek is echt indrukwekkend en ik denk dat veel mensen deze tool in hun eigen onderzoek gaan gebruiken.’
Kers op de taart
De onderzoeksgroep waar Riga werkt in ieder geval wel. Een van hun projecten richt zich op de vraag of NPY, afkomstig uit NPY-zenuwcellen in een centrale kern in de hersenstam, in staat is om stressreacties bij muizen te verminderen. Hoewel de eerste versie van hun manuscript al voorbereid is, kan de nieuwe GRAB-biosensor wellicht dienen als de kers op de taart en het overtuigende bewijs leveren voor Riga’s resultaten. ‘We zouden nu direct kunnen aantonen of de afname van angst bij stimulatie van NPY-neuronen ook te verklaren is door de afgifte van het NPY-peptide in bij wakkere dieren die verschillende gedragingen tonen’, vertelt Riga. Deze directe bevestiging was eerder niet mogelijk met de beschikbare technieken.
Riga was al eerder op de hoogte de GRAB-sensoren. ‘Eind 2022 hebben we contact gezocht met het Li Lab over de biosensoren. Hun artikel stond toen al op bioRxiv en ook via Twitter waren ze heel open over hun onderzoek. Iedereen die interesse had in de biosensor kon contact met het lab opnemen. Ze willen graag dat mensen gebruik maken van hun techniek.’
In oktober 2023 arriveerde de biosensor in Utrecht. De eerste muizen zijn inmiddels geïnjecteerd met het virus dat de GRAB-sensor tot expressie moet brengen. Voor zover Riga weet zijn zij de eerste die de GRAB-NPY sensor in levende dieren gaan testen. ‘Het is dus eigenlijk een pilot. We moeten zelf de virale concentratie bepalen. Je wilt genoeg expressie van de sensor teweeg brengen, zonder dat de cellen beschadigd raken. Ook weten we nog niet of de sensor in vivo genoeg fluorescentie uitstraalt. Onze muizen leven nog’, zegt Riga tevreden. ‘Maar of we ook fluorescentie kunnen meten is dus nog even afwachten.’
Nog geen opmerkingen