Geneeskunde: De “revolutionaire technologie” van de eiwitinjectie
De “revolutionaire technologie” van de eiwitspuit
Vertegenwoordiging van de moleculaire spuit, Photorhabdus virulentiecassette
Bron: Joseph Kretz, MIT’s Broad Institute en Harvard University’s McGovern Institute for Brain Research aan het MIT
Talrijke bacteriën gebruiken nanocircuits om eiwitten in de cellen van hun gastheer in te brengen. Onderzoekers hebben van dit systeem geprofiteerd. De feedback op de innovatie is enorm – omdat het veel opties opent, bijvoorbeeld voor kankerbehandelingen.
SZe manipuleren de cellen van hun gastheer, verdedigen zichzelf tegen roofdieren of doden concurrenten: veel bacteriën gebruiken geavanceerde moleculaire nano-oplosmiddelen om eiwitten cellen binnen te smokkelen. Zogenaamde systolische injectiesystemen (CIS) kunnen opnieuw worden geprogrammeerd en kunnen in de toekomst op veel verschillende manieren therapeutisch worden gebruikt, aldus de Amerikaanse onderzoekers. Verslag in het tijdschrift “Nature”..
Het team onder leiding van Feng Zhang van het Broad Institute in Cambridge (Massachusetts, VS) modificeerde een bacterieel nanomateriaal zodanig dat de werkzame stoffen gericht konden worden op specifieke celtypen. Dit zou verschillende behandelingen mogelijk kunnen maken, schreef de groep, met name op kankerbehandelingen en gentherapieën.
Clemens Wendtner van het München-Schwabing Ziekenhuis spreekt van een “revolutionaire technologie”. “Het lijkt erop dat we aan de vooravond staan van een nieuwe ontwikkeling”, zegt de arts, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Hier zijn er geen grenzen aan de verbeelding met betrekking tot toekomstige toepassingen.” Ook andere experts zien een doorbraak in de studie die veel meer opties zou kunnen openen.
In de proof-of-concept bestudeerde het team van Zhang het injectiesysteem van de bacterie Photorhabdus asymbiotica, die zich oorspronkelijk richt op insectencellen. Een moleculaire spuit – de Photorhabdus virulentiecassette (PVC) genoemd – bestaat uit een buis van ongeveer 100 nanometer (miljoenste van een millimeter) lang. Aan het uiteinde bindt de zogenaamde staartvezel zich aan speciale receptoren op doelcellen, zodat de eiwitbelasting over het celmembraan naar deze cellen kan worden geleid.
In systematische subtests veranderde het team van Zhang de injectie-apparaten op twee belangrijke manieren: aan de ene kant waren ze in eerste instantie in staat om andere eiwitten die niet afkomstig waren van P. asymbiotica in insectencellen te injecteren. Ten tweede herprogrammeerde het de staartvezels zodanig dat de nanoshells zich hechten aan andere cellen, bijvoorbeeld die van muizen of mensen.
Injectie in muizenhersenen
Zo hebben onderzoekers ervoor gezorgd dat een injectiesysteem in het lab aan cellen van longtumoren kleeft en ze doodt met een gifstof. In een ander experiment introduceerden ze het Cas9-enzym – de schaarcomponent van het Crispr-Cas9-gen dat DNA kan knippen – in menselijke cellen. Dit zou het in de toekomst mogelijk kunnen maken om DNA in cellen therapeutisch te modificeren op gewenste doelen.
In een laatste stap demonstreerde het team het gebruik van nanospuiten op levende organismen. Door ze in de hersenen van muizen te injecteren, verhandelden ze de eiwitten naar neuronen in het hersengebied van de hippocampus. De onderzoekers merkten noch celbeschadigende effecten noch sterke activering van het immuunsysteem op.
Bovendien was het injectieapparaat na 1 week niet meer detecteerbaar. “Dit geeft aan dat het regime bij uitstek geschikt is voor behandelingen die bedoeld zijn als voorbijgaand of kortdurend”, merkt de groep op.
Andreas Diebold van het Max Planck Instituut voor Terrestrische Microbiologie in Marburg zegt dat het gepresenteerde systeem het mogelijk maakt “alle eiwitten te injecteren in cellen met specifieke structuren op hun oppervlak”. Dit injectiesysteem, dat kan worden geladen met vreemde eiwitten, wordt als een doorbraak beschouwd.
Deskundigen wijzen echter op enkele hindernissen: de eiwitbelasting in het systeem is beperkt. Daarnaast is het belangrijk dat deze kosten alleen naar de gewenste bestemmingen worden gebracht en niet naar andere cellen gaan.
“Het vermogen om specifieke eiwitten in specifieke celtypen te introduceren, biedt een enorm potentieel voor onderzoek in de levenswetenschappen en behandeling van ziekten”, schreven Charles Ericsson en Martin Pilhofer van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich (ETH). Commentaar “Natuur”. “Deze getransformeerde injectiecomplexen vertegenwoordigen een opwindende biotechnologische toolkit met toepassingen in diverse biologische systemen.”
Studieleider Feng Zhang is een leidende figuur in de levenswetenschappen. Om de Crispr-Cas9-genschaar te ontwikkelen, vocht hij een bitter patentgeschil met onderzoekers Emmanuelle Charpentier, nu oprichter en directeur van het Max Planck Research Center for the Science of Pathogens, en Jennifer Doudna van de University of California, Berkeley.
Ze presenteerden hun werk aan de methode snel achter elkaar in een uitgave van Science uit 2012. Charpentier en Doudna ontvingen in 2020 de Nobelprijs voor de geneeskunde en Zhang vertrok met lege handen.
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”