Dierwaardigheid in duurzame voedselsystemen
Single-cell technologie verhoogt dierwaardigheid
Om meer te weten over het functioneren van een orgaan, zijn proefdieren nodig. In de toekomst kunnen mini-organen, oftewel organoïden, hun plaats innemen. Daarvoor moeten organoïden wel eerst geperfectioneerd worden. Single-cell technologie, een techniek waarbij de genen van een enkele cel worden ontrafeld, helpt daarbij.
Hoe neemt het darmstelsel van een vis voedingsstoffen op en wat gebeurt er in de darmen van een varken als het dier geïnfecteerd raakt, bijvoorbeeld met een virus? Als onderzoekers dit willen bestuderen, hebben ze proefdieren nodig. Als we in de toekomst minder proefdieren willen gebruiken, moeten we op zoek naar alternatieven.
Volgens Martien Groenen, hoogleraar Fokkerij & Genomica, kunnen organoïden uitkomst bieden: kunstmatig gekweekte, verkleinde en versimpelde versies van het orgaan, gemaakt uit stamcellen die in het lab worden opgekweekt tot mini-organen. Groenen werkt samen met universitair hoofddocent Fokkerij & Genomica Ole Madsen aan de karakterisering van organoïden, onder andere van varkens en vissen. Door te ontrafelen hoe de mini-organen in elkaar zitten, kunnen ze andere groepen binnen de WUR helpen met de ontwikkeling van nóg betere organoïden.
“Met darm-organoïden kunnen we bijvoorbeeld bestuderen wat het effect is van voer op de darmen. Ook kunnen we zien of dieren gevoelig zijn voor bepaalde bacteriën of virussen, zonder dat we proeven hoeven te doen met dieren. Daardoor zullen we op termijn minder proefdieren nodig hebben.”
Organoiden zijn goede onderzoeksmodellen. Maar exact hetzelfde als het oorspronkelijke orgaanweefsel zijn ze niet. Madsen: “Het liefst zou je natuurlijk willen dat het gekweekte weefsel net zo complex en compleet is als darmweefsel. Maar het blijft een artificieel systeem, een benadering van de werkelijkheid. Als je onderzoek doet waarin je organoïden inzet als vervanging van organen is het dus belangrijk om te weten waarin ze verschillen van deze organen. Dat helpt ons om de resultaten beter te interpreteren.” Groenen vult aan: “We vergelijken de mini-organen met het oorspronkelijke weefsel om te weten wat er nog mist. Het uiteindelijke doel is om organoïden te kweken die nog meer lijken op het natuurlijke weefsel.”
‘Het liefst wil je dat het gekweekte weefsel net zo complex en compleet is als darmweefsel’
Om een antwoord te krijgen op deze vraag gebruiken Madsen en Groenen single-cell genomics of single-cell technologie. Dat is een techniek waarbij men op celniveau kan zien welke genen actief zijn (aan staan) en welke genen ‘sluimeren’.
Daarvoor worden de cellen van het weefsel eerst van elkaar losgemaakt, meestal door gebruik te maken van enzymen die de eiwitverbindingen tussen de cellen verbreken. Vervolgens wordt het DNA (of RNA) uit de cellen gehaald en vermenigvuldigd, zodat er voldoende genetisch materiaal is om het te analyseren. Bij single cell technology gebeurt deze vermenigvuldiging op een manier waarbij al het DNA of RNA van één individuele cel een specifieke code (een adres) krijgt waardoor bij de analyse te zien is welk DNA of RNA van dezelfde cel afkomstig is.
Madsen: “Doen we dat bij darm-organoïden dan zie je dat binnen een geheel van drieduizend cellen zo'n vijf tot zes verwante groepen te onderscheiden zijn, waarbij dezelfde genen aan of uit staan. Ook zit in een darm-organoïde soms een kleine hoeveelheid zeldzame cellen die met single-cell technologie aangetoond kunnen worden. Dat geeft dan nóg meer inzicht in de samenstelling en het functioneren van het weefsel. We zien ook dat niet alle celtypes voorkomen die in echt darmweefsel aanwezig zijn. Zo is met deze techniek bijvoorbeeld goed te zien dat bij minidarmen de immuuncellen ontbreken die in het darmweefsel juist een belangrijke rol spelen.”
‘Wij vergelijken de mini-organen met het oorspronkelijke weefsel om te weten hoe we het orgaan beter kunnen nabootsen’
Immuuncellen zijn namelijk een soort poortwachters: alles wat de darmen passeert wordt onderworpen aan een selectieproces: komt er een ongewenste bacterie binnen of zijn het nuttige eiwitten? Bruikbare stoffen worden doorgelaten, andere stoffen worden steekproefsgewijs opgenomen zodat het immuunsysteem informatie kan verzamelen, weer andere dienen als voedingsbodem voor de bacteriën en gisten die het microbioom vormen. En ook voor de communicatie met het microbioom, zijn immuuncellen cruciaal.
“Het is dus essentieel om immuuncellen toe te voegen aan de minidarmen omdat deze cellen zo’n belangrijke bijdrage leveren aan het geheel van het orgaan,” vertelt Madsen. “Immuuncellen patrouilleren constant de omgeving op indringers en richten zich op bestrijding van infecties of het opruimen van dode cellen.
Een compleet darmmodel inclusief immuuncellen laat bijvoorbeeld veel beter zien wat de invloed is van voeding op het functioneren van de darm.”
Inmiddels werkt de leerstoelgroep Celbiologie en Immunologie aan het tegelijk opkweken van darmcellen én immuuncellen. Om hiervan een organoïde met darmcellen én immuuncellen te fabriceren, is een flinke uitdaging. Madsen: “Omdat verschillende signaalstoffen nodig zijn tijdens de differentiatie is het noodzakelijk de immuuncellen eerst apart te prepareren en ze op het juiste moment met de overige darmcellen te combineren. Om dat proces goed te laten verlopen, zijn weer speciale signaalstoffen nodig, zodat de immuuncellen weten waar ze moeten zijn om naar de juiste plek in het organoïdeweefsel te migreren.”
‘Hoe heeft de evolutie geleid tot verschillen in functioneren tussen de diersoorten? Dat kunnen we op celniveau bekijken’
Het onderzoek van Groenen en Madsen is geavanceerd en fundamenteel, dat betekent hoge kosten. De kosten vormen nu nog een struikelblok. Groenen: “In een vervolgproject willen we onderzoeken hoe we de kosten van dit type onderzoek omlaag kunnen brengen. We denken dat dit belangrijk is voor de toekomst, omdat we zien dat fokkerijbedrijven interesse hebben. Voor de fokkerij is het namelijk van belang om genetische verschillen in gevoeligheid voor bacteriën en virussen op te sporen en daarop te selecteren binnen een populatie. Ook kunnen we bijvoorbeeld veevoederbedrijven helpen om nog gezonder veevoer te maken.”
“We richten ons nu nog op immuuncellen en organoïden van varkensdarmen. Maar het vooruitzicht is dat de techniek ook gebruikt kan worden voor organoïden van andere organen van andere dieren, zoals vissen.
We zijn erg geïnteresseerd in de mechanismes in verschillende dieren: hoe heeft de evolutie geleid tot verschillen in functioneren tussen diersoorten? Dat is het wonder van de natuur, dat we op celniveau kunnen bekijken.”
Madsen: “Wat zorgt ervoor dat het ene dier zich wel kan aanpassen aan de omstandigheden en het andere dier niet? Als we onderzoeken welke invloed de omgeving heeft op de ontwikkeling van een dier, komen we uit bij variaties in het genoom en bij variaties in de genen die aan- of uitstaan, de epigenetica. We willen graag weten hoe al die puzzelstukjes in elkaar passen, maar hoe meer details we kunnen zien, hoe meer dingen we ontdekken die we nog niet begrijpen.”
Deel dit artikel
WIE Martien Groenen, hoogleraar Fokkerij & Genetica Ole Madsen, universitair hoofddocent Fokkerij & Genetica
ONDERZOEK Darmorganoïden en single-cell technologie
TEAM Richard Crooijmans, Alisha GM van Animal Breeding & Genomics
Geportretteerde onderzoekers: Martien Groenen, Ole Madsen met Alisha GM
MEER INFORMATIE Dit project hoort bij het innovatieprogramma Next Level Animal Sciences (NLAS).
Binnen dit programma werken onderzoekers van Wageningen University & Research samen met partners aan de (door)ontwikkeling van nieuwe onderzoeksmethoden en technologieën binnen het domein van de dierwetenschappen. NLAS bestaat uit drie onderzoekslijnen: sensortechnologie, complexe celsystemen en data en modellen.
