Je leest:

Knutselen voor een gangmaker

Knutselen voor een gangmaker

Auteur: | 1 oktober 2005

De ontwikkeling van het hart in een menselijk embryo is waanzinnig ingewikkeld. Binnen enkele weken wordt een eenvoudige buis omgetoverd tot een complex orgaan met kamers, boezems, scheidingswandjes, sinusknoop, en ga zo maar door. Hoe knutselt het hart zichzelf in elkaar? Moleculair-bioloog Vincent Christoffels ontving een Vidi-subsidie om de ontstaansgeschiedenis van het hart – en in het bijzonder de sinusknoop – te ontsluieren.

‘Onze afdeling Anatomie en embryologie richt zich vooral op de moleculaire en experimentele cardiologie’, vertelt moleculair-bioloog Vincent Christoffels. ‘Sinds eind jaren negentig zijn we met een door de Hartstichting gesubsidieerd project bezig, waarin we vooral het proces van hartfalen onderzoeken.’

Hartfalen is meestal een reactie op eerdere problemen met het orgaan. Als veel hartspiercellen zijn afgestorven, bijvoorbeeld door een infarct, moeten de resterende cellen harder werken om voldoende bloed rond te pompen. Zij vangen die extra werkdruk niet op door zich te vermenigvuldigen – dat kunnen ze niet of nauwelijks – maar door zichzelf te vergroten. Dat veroorzaakt echter weer een verdere aftakeling van de cellen, waardoor het hart uiteindelijk te weinig pompkracht overhoudt en de patiënt overlijdt.

Het menselijk hart

‘Eind jaren negentig onderzochten we of we met gentherapie hartfalen te lijf konden gaan’, zegt Christoffels. ‘We wilden therapeutische genen naar de zwakke plekken in het hart sturen en ze daarna activeren, zodat er heilzame eiwitten geproduceerd zouden worden.’ Christoffels ging naar Engeland en onderzocht daar of antilichamen als postcodes waren te gebruiken. Plak die antilichamen aan de therapeutische genen en ze komen automatisch op de juiste plaats. Goed idee, maar al snel werd duidelijk dat de strategie niet werkte. Het roer moest om.

‘Daarna zijn we veel nadrukkelijker de ontwikkeling van het hart gaan bestuderen’, schetst de moleculair-bioloog. ‘Hoe regelt een bevruchte eicel dat ze in korte tijd uitgroeit tot een mens in de dop? Of meer in het bijzonder: hoe ’verpopt’ de hartbuis – een buisvormig spiertje – zich tot de complexe machinerie die levenslang voor een dynamisch hartritme zorgt?’ Die nieuwe zoektocht is Christoffels op het lijf geschreven. ‘Ik ben meer bioloog dan biotechnoloog’, zegt hij.

Hartfalen bij volwassenen lijkt niet direct in het verlengde te liggen van onderzoek naar de embryonale ontwikkeling van het hart. Maar schijn bedriegt. Christoffels: ‘Er zijn twee interessante manieren om de aandoening aan te pakken. Op de eerste plaats kun je proberen om volwassen hartcellen tóch weer aan het delen te krijgen, zodat je het tekort op een natuurlijke manier kunt aanvullen. Daarnaast is het misschien mogelijk om andere typen cellen zo te beïnvloeden, dat ze zich ontwikkelen tot bepaalde hartcellen. Beide processen – celdeling en celdifferentiatie – vinden standaard plaats tijdens de ontwikkeling van het embryo. Daar ligt dan ook de directe link tussen hartfalen op volwassen leeftijd en onderzoek naar de vorming van het embryonale hart. De kennis die we opdoen over deling en differentiatie in het embryonale stadium, kunnen we misschien gebruiken om hartfalen aan te pakken.’

Falende familieleden

Een bevruchte eicel bevat geen miniatuurhartje dat alleen maar hoeft te groeien. Integendeel, in dat stadium is er nog geen teken van een hart te bespeuren. Het ontstaat pas na vele celdelingen en -differentiaties. In een groeiend embryo delen, migreren, verschuiven en differentiëren cellen continu. Sommige sterven af. Structuren draaien, worden afgesnoerd, cellen gaan zich anders gedragen en functioneren. Deze enorme ontwikkelingsdynamiek wordt gestuurd door de cellen zelf, waarbij ze voortdurend communiceren met omliggende exemplaren. Iedere cel bevat min of meer zelfsturende teams, die in nauw overleg met elkaar en de naaste buren steeds nieuwe beslissingen nemen.

We denken dat de controle van die processen zich voor een groot deel afspeelt op het niveau van de transcriptiefactoren’, legt Christoffels uit. ‘Dit zijn eiwitten die de activiteit van genen in een cel sturen en reguleren. In een cel zijn altijd meerdere transcriptiefactoren actief. Combinaties van actieve transcriptiefactoren sturen het gedrag van een cel in een bepaalde richting. Dat doen ze door andere genen te activeren, die op hun beurt de eiwitten maken waarmee de cel het werk doet. Verandering van transcriptiefactoren leidt dus tot een ander expressiepatroon van genen in de cel. Waardoor het gedrag van die cel verandert, wordt bijgestuurd.’

Christoffels werkt momenteel aan patronen van expressiefactoren, die een veld van cellen sturen. Concreter: hoe zorgen transcriptiefactoren ervoor dat de eenvoudige hartbuis zich plooit en uitdifferentieert tot een kloppend hart? Centraal in het onderzoek staat één familie met bijna twintig bekende leden; de zogeheten T-box transcriptiefactoren. Deze groep is uitzonderlijk belangrijk. Werkt een van die transcriptiefactoren niet goed, dan gaat er altijd iets mis bij de ontwikkeling. Mensen met een mutatie in het gen Tbx5 – patiënten met het syndroom van Holt-Oram – hebben naast arm- en handafwijkingen vrijwel altijd hartafwijkingen. Ook bij fruitvliegjes, kikkers, vissen en andere dieren bepaalt de T-boxfamilie voor een belangrijk deel het bouwplan van het hart. Falende familieleden leiden tot haperende harten.

Christoffels: ‘De vraag is, welke T-box transcriptiefactoren in welke fase van de hartvorming een rol spelen. En waar precies. Want de diverse onderdelen van het hart – zoals sinusknoop, AV-knoop, instroomkanaal, hartklep, kamer, boezem, enzovoort – maken allemaal een andere, eigen ontwikkeling door. Dus moet je de verandering van transcriptiefactoren niet alleen in tijd, maar ook in ruimte proberen te verhelderen.’

Om dat voor elkaar te krijgen maakt Christoffels onder andere gebruik van microarrays, die bijvoorbeeld genexpressieprofielen in beeld brengen. Verder hangt hij fluorescerende eiwitten aan andere eiwitten zoals T-box factoren, zodat hij hun activiteit in levende cellen kan volgen, en legt hij in diermodellen T-box-transcriptiefactoren stil om te zien wat het effect daarvan is. Christoffels: ‘Op basis van dergelijke technieken is het mogelijk om driedimensionale reconstructies van genexpressiepatronen te maken. Zo kun je in de ruimte in elk geval al de activiteit van de diverse Tbox-leden in kaart brengen. Het zou mooi zijn als we daar op termijn de vierde dimensie nog aan kunnen vastknopen; met dergelijke bio-imaging kunnen we de wisselende transcriptiepatronen in het ontwikkelende hart dan min of meer “life” in beeld brengen.’

Voorbeeld van bio-imaging. Deze opname laat calciumfluxen (geel/rood)zien in het hart van een muis embryo van 10 dagen oud. Het calcium level in cellen stijgt als er spiercontracties optreden. Bron: Kotlikoff et al

Interessante hypotheses

Ook de samenwerking met prof. Barbara Mulder – hoogleraar Cardiologie in het AMC en coördinator van CONCOR, een landelijke registratie- en DNA-bank van patiënten met een aangeboren hartafwijking – is van groot belang. De regulatie van transcriptiefactoren is evolutionair namelijk sterk geconserveerd. Dit betekent dat transcriptiefactoren die in de muis en kikker een rol spelen bij de hartontwikkeling, een vergelijkbare rol spelen bij de mens. Gegevens uit het dieronderzoek kunnen dus bij mensen gebruikt en geverifieerd worden. En andersom. De informatie over erfelijke hartaandoeningen die is samengebracht in CONCOR, biedt dus extra perspectieven voor onderzoek.

Op dit moment heeft Christoffels al een tipje van de sluier opgelicht over de rol van diverse T-box-leden. ‘In de hartbuis ontstaan op specifieke plaatsen de kamers en boezems’, zegt hij. ‘Voor de ontwikkeling van de kamers heb je in elk geval Tbx5 nodig. Samen met andere transcriptiefactoren zorgt die ervoor dat de juiste cellen in de hartbuis zich ontwikkelen tot spiercellen, de arbeiders van het hart. Die kamers worden echter begrensd door weefsel dat zich juist níet mag differentiëren, zoals de hartcellen rond de kleppen, scheidingswandjes en het instroomkanaal bijvoorbeeld. Maar ook het hele geleidingssysteem met sinusknoop en AV-knoop. Hier spelen vooral Tbx2, Tbx3 en Tbx18 een centrale, remmende rol.’

Alleen uit deze bevindingen zijn al twee nieuwe en bijzonder interessante hypotheses te destilleren. Christoffels: ‘Veel wetenschappers zijn op zoek naar de moleculen of eiwitten die ervoor zorgen dat het geleidingssysteem van het hart wordt aangelegd; het systeem dat de hartslag genereert en ordelijk doorgeeft. Wij hadden al heel lang het idee dat je daar niet naar hoeft te zoeken tijdens de ontwikkeling van het hart. Want een deel van de hartbuis differentieert zich – bijvoorbeeld tot kamer en boezem – en ’verliest’ de eigenschap. Het systeem is dus al aanwezig!’

Spectaculair

Op basis van de eerste onderzoeksgegevens is nog een andere hypothese op te stellen. Kamer en boezem ontstaan kennelijk door differentiatie die mede door Tbx5 in gang wordt gezet. Terwijl Tbx2, Tbx3 en Tbx18 weefsel uit dezelfde hartbuis een heel andere kant op sturen, want daaruit worden onder andere de sinusknoop en AV-knoop gevormd. Dan ontstaat vanzelf de vraag of je de weefselontwikkeling, het ontstaan van bepaalde celtypen, kunt sturen door gericht met die transcriptiefactoren te spelen. Wat gebeurt er, bijvoorbeeld, als je Tbx3 tot expressie brengt in een boezem die zich aan het vormen is?

Christoffels: ‘Dat hebben we zeer recentelijk gedaan, omdat we het vermoeden hadden dat Tbx3 in de normale hartontwikkeling is betrokken bij de vorming van de sinusknoop. Het resultaat is spectaculair. Op de plaats in de boezem waar we Tbx3 inbrengen ontstaat een echte sinusknoop, de gangmaker van de hartslag. Deze hartjes blijven vanuit de boezem kloppen! Tbx3 is kennelijk in staat een bestaand programma van genexpressie om te gooien en een nieuw programma te introduceren dat een sinusknoop ontwikkelt. Feitelijk is dit een herprogrammering van een deel van de boezem. Het betekent niet dat we nu meteen biologische pacemakers kunnen gaan vervaardigen of een perfect bouwplan voor de ritmesectie van het hart in handen hebben. Maar het laat wél zien hoe belangrijk fundamenteel onderzoek kan zijn. Oók voor het hart.’

Dit artikel is een publicatie van AMC Magazine.
© AMC Magazine, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.