Nobelprijswinnende moleculaire motortjes kunnen volgens Groningse onderzoekers het gedrag van stamcellen beïnvloeden, zodat ze efficiënter botcellen kunnen vormen.

Toen Ben Feringa, hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG), in 2016 de Nobelprijs voor de Scheikunde ontving voor zijn licht-gedreven moleculaire rotatiemotortjes, had hij al een biomedische toepassing voor ogen. ‘Binnen mijn onderzoeksgroep liepen we al langer rond met het idee om cellen te kweken op lichtresponsieve oppervlaktes, om zo te onderzoeken of je daarmee celgroei kunt beïnvloeden’, vertelt hij. ‘We koppelden daarvoor vier carbonzuurgroepen als pootjes aan de motortjes, zodat ze rechtopstaand aan een glazen oppervlak kunnen hechten en een monolaagje vormen waarop vervolgens cellen kunnen groeien.’

Bij de Feringa-groep ontbrak de benodigde kennis op het gebied van (stam)celgroei echter, dus besloot Feringa de expertise te bundelen met die van de onderzoeksgroep van Patrick van Rijn, hoofddocent materiobiologie en nanobiomaterialen van het Universitair Medisch Centrum Groningen. Het leek Van Rijn interessant om stamcellen op de oppervlaktes te kweken en te kijken naar de invloed van moleculaire beweging op differentiatie.

Eiwitmatrix

‘Uv-licht dreef de motortjes aan, maar dat is schadelijk voor cellen’, vertelt Van Rijn. ‘Om de effecten van directe straling te omzeilen, lieten we eerst een laagje eiwitten op de motortjes neerdalen. De eiwitmatrix bestraalden we vervolgens voor een uur met uv-licht om de motortjes te laten draaien, en pas daarna voegden we de stamcellen toe.’ Verrassend genoeg bleek uit de resultaten, die de onderzoekers in januari publiceerden in Science Advances, dat cellen gekweekt op de eiwitmatrix ­behandeld met draaiende motortjes meer geneigd waren om te differentiëren naar botcellen. Cellen gekweekt op de onbehandelde eiwitmatrix waren daarentegen meer geneigd om hun stamceleigenschappen te behouden.

Op basis van AFM-waarnemingen van de eiwitmatrix en MD-simulaties van de interactie tussen de motortjes en de eiwitten, gemaakt door de onderzoeksgroep van Siewert-Jan Marrink, hoogleraar moleculaire dynamica werkzaam bij het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology-instituut van de RUG, ontdekten de wetenschappers dat door de beweging van de motortjes specifiek de alfahelix in de eiwitten denatureert. Die denaturatie brengt subtiele veranderingen aan in de structuur van de eiwitmatrix, waardoor de stamcellen anders hechten aan het oppervlak. De signaalcascade die vervolgens wordt geactiveerd zorgt ervoor dat de cel efficiënter gaat differentiëren richting een botcel.

Nuttig hulpmiddel

‘We staan aan het begin van een periode waarin we nog zo veel kunnen onderzoeken’, meent Van Rijn. ‘De motortjes zijn klein, maar kunnen een groot effect teweegbrengen, en dat maakt ze een nuttig hulpmiddel voor tissue engineering.’ Idealiter kunnen de onderzoekers in de toekomst veranderingen aanbrengen in eiwitlagen op specifieke locaties, om zo complexe cellagen en weefsels te creëren die verschillende celtypes bevatten.

‘Stamcellen op die manier sturen is natuurlijk een droomscenario’, vertelt Feringa. Recentelijk heeft zijn groep motortjes gemaakt die werken op zichtbaar licht en die je daardoor makkelijker kunt toepassen op cellen. ‘Daarmee kunnen we kijken wat er gebeurt als we de stamcellen direct laten groeien op het dynamische oppervlak van de motortjes; een logische eerste stap in een reeks die we moeten doorlopen voordat we überhaupt kunnen denken aan een klinische toepassing.’