Onderzoekers kweken uit losse cellen meest levensecht bot tot nu toe
Eerste bot-organoïde gaat inzicht in botvorming en botziekten sterk vergroten.
Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en Radboudumc Nijmegen hebben diverse botcellen met elkaar verweven tot een ‘organoïde’, een mini-orgaantje dat zelfstandig nieuw, hard botweefsel kan maken. Met dit meest complete 3D-model van botvorming tot nu toe zijn de biochemische processen tot in ongekend detail te bestuderen en daarmee de vele openstaande vragen rond botvorming te beantwoorden. Bovendien is het gekweekte bot bijzonder geschikt voor het testen en ontwerpen van nieuwe behandelingen voor botaandoeningen als osteoporose of osteogenesis imperfecta.
Stel je eens voor dat met stamcellen uit jouw beenmerg in het lab een stukje botweefsel wordt gekweekt. En vervolgens kijken artsen welke medicijnen op jouw botten het gewenste effect hebben. Op die manier zou voor iedereen een behandelplan op maat gemaakt worden, waarbij van tevoren al duidelijk is wat de beste aanpak kan zijn.
Dat toekomstbeeld is geen sciencefiction meer nu onderzoekers van de TU Eindhoven en Radboudumc feitelijk het eerste deel hebben gerealiseerd: uit menselijke stamcellen een levensecht stukje botweefsel laten groeien. Het gaat hierbij om de eerste ‘organoïde’ van bot, een versimpelde versie van het origineel, zo melden ze vandaag in het blad Advanced Functional Materials.
Samenhangend beeld
“We presenteren hiermee voor het eerst het volledige plaatje van botvorming”, zegt Sandra Hofmann, onderzoekster Bioengineering Bone aan de TU/e. En dat is van groot belang: hóe onze botten precies gevormd worden, is nog grotendeels een raadsel. Bot is een zeer complex materiaal waar enerzijds talloze cellen en processen op elkaar ingrijpen, en anderzijds een ingenieuze stellage (matrix) van collageen wordt opgebouwd die voor de stevigheid zorgt. Van losse onderdelen is intussen veel bekend, maar een samenhangend beeld ontbrak tot nu toe.
Bij botvorming spelen drie soorten cellen de hoofdrol: osteoblasten (die botweefsel opbouwen), osteoclasten (die bot afbreken) en osteocyten (die de opbouw en afbraak van bot reguleren). “De meeste onderzoeken tot nu toe richtten zich op één van deze typen cellen, maar dat is geen goede weergave van echt weefsel”, zegt Hofmann. “We presenteren hier een stukje gegroeid bot dat twee van deze typen cellen bevat: osteoblasten en osteocyten. Met uitsluitend deze twee celtypen kunnen we dus levensecht bot maken.”
Wijzer worden van moleculair porren
En misschien nog wel belangrijker: het systeem gedraagt zich ook precies als bot in een vroeg stadium, aldus Anat Akiva, onderzoekster Cell Biology van het Radboudumc. “We laten zien dat beide type cellen de eiwitten produceren die ze nodig hebben voor hun functionaliteit, en we laten daarbij met het grootste detail zien dat het harde botmateriaal gevormd wordt dat we in onze eigen botten zien."
Dat er nu een versimpelde weergave mogelijk is van de vorming van bot op moleculair niveau, biedt volgens de onderzoekers ongekende mogelijkheden. “Een bot bestaat voor 99% uit collageen en mineralen, en de rest is eiwit”, legt professor Nico Sommerdijk van Radboudumc uit. “Wat is de rol van die eiwitten? Hoe ondersteunen ze de botvorming? Nooit eerder konden we op moleculair niveau de mijlpalen van dit proces bekijken.”
En daarmee hebben ze direct een goede ingang om van pijnlijke botproblemen als ‘broze botten ziekte’ en de mogelijke behandelingen te onderzoeken. “Bedenk dat de oorsprong van veel aandoeningen op moleculair niveau zit – en de behandeling dus ook”, zegt Akiva. “Feitelijk hebben we nu een simpel systeem in een betrouwbare omgeving waarin we kunnen porren en kijken hoe de botcellen reageren op de stimuli die we geven.”
Referentie
Anat Akiva et al., An Organoid for Woven Bone, Advanced Functional Materials (9 maart 2021). DOI:10.1002/adfm.202010524
Een unieke en toevallige samenwerking
Cruciaal voor de totstandkoming van de eerste ‘organoid’ van bot was de combinatie van verschillende expertises. “We zijn één van de eersten die zowel achtergronden in de biologie als chemie combineren, waardoor we zowel vanuit het perspectief van cellen als van de collageenmatrix naar de eerste stadia van botvorming kijken”, zegt Hofmann.
"Door onze verschillende wetenschappelijke achtergronden ontstond een divers team van bio-ingenieurs, materiaalwetenschappers en microscopisten. Hierdoor konden we ‘out of the box’ denken en onze unieke aanpak ontwikkelen waarin biologische en materiaalaspecten van botonderzoek worden gecombineerd", zegt Akiva.
Opmerkelijk genoeg ontstond deze samenwerking grotendeels bij toeval ontstaan. "Al vele jaren was ik gefascineerd door het proces van botvorming. Na het beluisteren van een lezing van Sandra tijdens een jaarlijks ICMS-symposium aan de TU/e wist ik dat we op dit onderwerp moesten samenwerken", aldus Sommerdijk.
“Voor mij is dit de absolute nummer-één-publicatie”, zegt Hofmann verheugd. “Hier heb ik al die jaren naartoe gewerkt. En tegelijkertijd: nu we zo ver zijn gekomen, roept dit zoveel nieuwe vragen op dat ik nóg verder wil gaan.”