Regeneratieve farmacologie biedt een heel nieuwe kijk op de menselijke fysiologie en op ziekte en gezondheid. ‘De nieuwe methodes staan veel dichter bij het complete, intacte lichaam.’

Combineer klassieke farmacologie met de nieuwste inzichten over weefselherstel, microfluidics, innovatieve celkweekmethodes en stamceltechnologie en je belandt bij regeneratieve farma­cologie. ‘Het is een zeer interdisciplinair veld op het snijvlak van farmacologie, tissue engineering en regeneratieve geneeskunde’, vertelt Amalia Dolga, adjunct-hoogleraar regeneratieve neurofarmacologie aan de Rijksuniversiteit Groningen en organisator van een vierdelig webinar over dit onderwerp tijdens de (online) Dutch Medicine Days 2020. ‘Regeneratieve farmacologie is heel relevant voor iedereen in Nederland die zich bezighoudt met de ontwikkeling van geneesmiddelen.’

Het belangrijkste verschil met de klassieke farmacologie is volgens Dolga de grotere nadruk op humane modellen. ‘Dankzij de enorme doorbraken in stamceltechnologieën, en dan vooral de opkomst van geïnduceerde pluripotente stamcellen, kunnen we met nieuwe platformen zoals organs-on-a-chip en organoïden, compleet nieuwe test- en onderzoeksmethodes ontwikkelen die veel dichter bij het intacte, menselijke lichaam staan. Regeneratieve farmacologie raakt aan zo veel verschillende toepassingen, ziektegebieden en therapiemogelijkheden, dat ze interessant is voor een heel breed publiek.’ Denk aan de nierfunctie herstellen, longschade door roken modelleren en de effecten van zuurstoftekort in vroeggeboren kinderen onderzoeken – de reikwijdte van regeneratieve farmacologie is enorm.

Microglia en mitochondriën

In Dolga’s eigen onderzoek staat neurodegeneratie centraal, waarbij ze vooral werkt aan de ziektes van Parkinson en Alzheimer. Door microfluidics en induced pluripotent stem cells (iPS) op te nemen in haar aanpak, kan ze veel breder kijken naar processen en mechanismes die aan neurodegeneratie ten grondslag liggen. ‘In 2015 werd ik benoemd als Rosalind Franklin Fellow in Groningen en toen kreeg ik de kans om mijn eigen lab op te zetten.’

Dit gaf Dolga de ruimte om veel breder over haar werk na te denken en de nieuwste mogelijkheden te implementeren. ‘Ik werkte al aan de rol van kaliumkanalen in neurodegeneratie en toen de iPS-platformen beschikbaar kwamen, besloot ik me meer op humane cellen te richten en te proberen om nieuwe modellen te ontwikkelen die veel beter het menselijke ziektebeeld nabootsen.’

In eerste instantie gebruikte Dolga humane gedifferentieerde neuronen en astrocyten, twee types hersencellen. Daarna breidde ze haar experimentele modellen uit met immuuncellen, omdat ontsteking een grote rol speelt in beide ziektes. Dat was een nieuwe richting in het neurodegeneratieve onderzoek. ‘Lange tijd draaide het parkinson- en alzheimeronderzoek alleen maar om neuronen. Maar inmiddels stappen onderzoekers af van dat neuronen-dogma en kijken ze veel meer naar immuuncellen. In de hersenen gaat het dan vooral om microglia en nu bestuderen we de functie van gedifferentieerde microglia, maar er zijn nog veel onbeantwoorde vragen.’

De connectie tussen microglia en ontsteking leidt terug naar Dolga’s initiële onderzoek naar de rol van kaliumkanalen en celmetabolisme in het algemeen. ‘We weten dat modulatie van kaliumkanalen ontstekingsprocessen remt en oxidatieve stress voorkomt. Ook kijken we naar mitochondriën, omdat tijdens het ziekteverloop de mitochondria steeds meer dysfunctioneel worden en we graag willen weten hoe modulatie van de mitochondriën door de kaliumkanalen bijdraagt aan beschermende processen.’

En dan is er nog de link tussen ontsteking en metabolisme: ‘Ontsteking zorgt voor metabole herprogrammering van de cel en dit alles zien we ook bij parkinson en alzheimer. Voor mij laat die onderlinge verbondenheid zien dat we naar meerdere processen en metabole routes moeten kijken. Het verklaart tevens waarom de ontwikkeling van effectieve geneesmiddelen tot nu toe zo moeizaam is geweest.’

Cellulaire communicatie

De groep van Dolga is onlangs gestart communicatie tussen hersencellen na te bootsen in een microfluidics-opstelling. ‘We kweken hersencellen in verschillende onderdelen van de opstelling en bekijken dan of ze onderling gaan communiceren en hoe ze dat doen. Dysfunctionele cellen in een deel van het brein kunnen namelijk via cel-cel-interacties ook schade veroorzaken in andere delen.’

Maar hoe kunnen die nieuwe methodes om hersencellen te kweken en te manipuleren bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen? Dolga: ‘Hopelijk levert dit aanknopingspunten op voor nieuwe metabole routes om op aan te grijpen, bijvoorbeeld in de mitochondriën. Maar ik zie ook mogelijkheden om de relatie tussen de bloed-hersenbarrière en de geïnfiltreerde immuuncellen te onderzoeken, die weer invloed hebben op de microglia en het ziekteverloop.’

Volgens de onderzoeker kan een breder overzicht van al die verschillende processen wellicht ook helpen om de bijwerkingen van nieuwe middelen te verminderen of te voorkomen. Het regeneratieve aspect blijft moeilijk als het gaat om zenuwschade. Ook als je de ziekte tot staan brengt, is de schade blijvend.

Regeneratie is niet haalbaar voor alle soorten weefsels. Neuronen regenereren niet, maar dit onderzoeksveld omvat ook weefselherstel en -vervanging. ‘Een combinatie van geneesmiddelen en andere therapeutische opties, bijvoorbeeld gen- of celtherapie, is waarschijnlijk de meest verstandige benadering. Bij alle doorbraken die in het verleden zijn aangekondigd, heeft de zoektocht naar dat ene molecuul dat aangrijpt op een specifiek doel of een specifiek pathway nog nooit de belofte waargemaakt.’

Bioartificiële nier

Regeneratie is misschien nog een brug te ver voor neurodegeneratieve ziektes, maar voor andere weefsels zouden we daar veel aandacht aan moeten besteden, meent Roos Masereeuw, hoogleraar experimen­tele farmacologie aan de Universiteit Utrecht. ‘De meeste geneesmiddelen verminderen of behandelen symptomen, maar in de schade aan weefsels en organen blijft veelal onbehandeld. Herstel en regeneratie van organen wordt vaak over het hoofd gezien.’

Het gebrek aan geschikte technieken was lange tijd een belangrijke reden, maar nu de mogelijkheden om stamceltechnologie toe te passen de laatste tien jaar sterk zijn toegenomen, is het tijd voor een nieuwe blik. ‘Er is zo veel vooruitgang geboekt in ons begrip van hoe je stamcellen kunt gebruiken bij het kweken van humaan weefsel en welke biologische factoren belangrijk zijn om de regeneratie van weefsels en organen te stimuleren. Dat heeft de weg geplaveid voor regeneratieve farmacologie’, zegt Masereeuw.

Masereeuw heeft een achtergrond in de farmacologie en is gespecialiseerd in nieronderzoek. ‘Vanuit het onderzoek naar het transport en de verwerking van geneesmiddelen door de nieren ontwikkelden we cellijnen die voorspellend waren voor de nierfunctie. Maar die cellijnen waren ook veelbelovend als celtherapie voor de behandeling van nierfalen.’ Rond die tijd, zo’n tien jaar geleden, vroeg de Nierstichting Masereeuw in te stappen in een samenwerkingsproject gericht op de ontwikkeling van een bioartificiële nier die de functie van de nierbuisjes kan vervangen.

‘Dit is geen alternatief voor de klassieke nierdialyse’, legt de hoogleraar uit. ‘Dialyse vervangt de filterfunctie van de nieren, terwijl ons project is gericht op de vervanging van de nierbuisjes die een cruciale rol spelen in de actieve uitscheiding van afvalstoffen van het bloed naar de urine. Voor een goede werking van de nieren heb je zowel het filter als de buisjes nodig.’

Als onderdeel van het project heeft de groep van Masereeuw nierbuisjes-on-a-chip gemaakt en de buisjes bekleed met nierepitheelcellen. ‘Onze buisjes-on-a-chip laten niet alleen opname en secretie van stoffen zien, ze voorspellen ook hoe geneesmiddelen en toxische stoffen door het lichaam passeren en uitgescheiden worden.’ Hierdoor zijn gaandeweg nieuwe toepassingen voor de bioartificiële nier naar boven gekomen.

Geïntegreerde organen

Dankzij de nierbuisjes-on-a-chip kon Masereeuw nieuw licht werpen op de invloed van eiwitbinding op de uitscheiding van geneesmiddelen en toxische stoffen. In het bloed zijn die verbindingen grotendeels gebonden aan eiwitten, zoals albumine. De aanname was dat moleculen met een hoge bindingsaffiniteit moeilijker uit te scheiden zijn.

‘Onze experimenten lieten echter het tegenovergestelde zien. Juist stoffen met een hoge bindingsaffiniteit binden beter aan de transporteiwitten van de nierbuisjes dan aan albumine, waardoor die stoffen juist goed worden opgenomen uit het bloed en aan de andere kant van de niercellen weer worden uitgescheiden naar de urine. Maar om dergelijke processen op moleculair niveau te bestuderen, heb je de zeer gecontroleerde omstandigheden van zo’n experimentele setting nodig. In een diermodel is dat niet mogelijk.’

Behalve meer basaal begrip van het functioneren van de nieren ziet Masereeuw ook mogelijkheden voor translationeel onderzoek. ‘De cellen in de nierbuisjes hebben een soort sensor op hun oppervlak die de concentratie van ‘afval’ in het bloedplasma registreert en, indien nodig, de productie van transporteiwitten activeert, waardoor het opname- en secretieproces versnelt.

Dit is het mechanisme waarmee ons lichaam wordt beschermd tegen te hoge concentraties aan endogene toxines.’ Kennis hiervan biedt mogelijkheden om nierfalen in een vroeg stadium te behandelen. Bijvoorbeeld door die cellulaire afvalsensor te activeren. ‘We onderzoeken nu manieren om de expressie van transporteiwitten te stimuleren in genetische nierziektes. Dat is ontzettend belangrijk, omdat we weten dat hoe langer we de nierfunctie op peil kunnen houden, hoe hoger de kans op overleving is.’

Met het succes van de nierbuisjes-on-a-chip op zak, heeft Masereeuw dezelfde aanpak gebruikt om chip-modellen van humane darmen en galkanalen te maken. Nu werkt ze aan een geïntegreerd darm-
lever-galkanaal-nier-model. ‘Daarmee kunnen we farmacokinetiek van stoffen onderzoeken en wellicht zelfs voorspellen. En hieraan wil ik ook graag nog een immuuncomponent toevoegen.’

Zijn we dus op weg naar een human-on-a-chip? ‘Daar zijn we nog lang niet in de buurt, maar ik ben er wel van overtuigd dat als we meerdere systemen op een effectieve manier kunnen koppelen, we nieuwe antwoorden gaan vinden op vragen waar we al lang mee worstelen.’

De Dutch Medicines Days webinar zijn te terug te kijken via www.figondmd.nl/webinar-calendar