Weizmann Institute of Science: onderzoek naar fruitvliegen zegt de sleutel te hebben ontdekt tot stralingsbestendige cellen
- Joop Soesan
- 4 minuten geleden
- 7 minuten om te lezen
Wetenschappers worstelen al jaren met de vraag waarom sommige cellen afsterven wanneer ze aan straling worden blootgesteld, terwijl andere niet alleen overleven, maar zelfs sterker terugkomen dan voorheen, blijkt uit exclusief interview van Times of Israel.
Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science zeggen nu eindelijk het mysterie te hebben ontrafeld. Ze hebben twee ongrijpbare celtypen in fruitvliegen geïdentificeerd die de dood in de ogen kijken, maar die simpelweg weerstaan ​​en vervolgens beschadigd weefsel helpen regenereren.
"Dit zijn ongrijpbare cellen waar iedereen naar op zoek was, en nu hebben we een manier om ze te detecteren en te labelen," zei prof. Eli Arama in een videogesprek met hoofdonderzoeker Tslil Braun, PhD, tegen The Times of Israel.
De door vakgenoten beoordeelde studie, die een verwoestende Iraanse raketaanval op het instituut in juni overleefde, kan mogelijk verklaren waarom sommige kankercellen niet alleen resistent lijken tegen chemotherapie en bestraling, maar ook in agressievere vormen terugkeren.
Het onderzoek bevindt zich nog in een beginstadium en is nog lang niet afgerond, maar wetenschappers zeggen dat de potentiële doorbraak uiteindelijk nieuwe mogelijkheden zou kunnen bieden voor de behandeling van kanker en het voorkomen van terugval, evenals voor de ontwikkeling van therapieën die het herstel van wonden door gezonde cellen kunnen versnellen.
"Hoewel dit onderzoek is uitgevoerd met fruitvliegen, hebben deze bevindingen belangrijke implicaties voor de mens", aldus prof. Hermann Steller, hoofd van het Laboratorium voor Apoptose en Kankerbiologie aan de Rockefeller University, die niet bij het onderzoek betrokken was.
Het onderzoek kan "de ontwikkeling van nieuwe therapieën sturen om enerzijds wondgenezing te bevorderen en anderzijds de resistentie van tumoren tegen bestralingstherapie te overwinnen", voegde hij eraan toe.
De studie, die vorige maand in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications werd gepubliceerd , toonde aan dat een bepaald celtype dezelfde doodsstrijd doormaakte als zijn buurcellen, een proces dat bekend staat als apoptose of geprogrammeerde celdood, maar dat het stopte voordat het zichzelf volledig vernietigde.
Het tweede type zet het afstervingsproces helemaal niet in gang en speelt vervolgens een belangrijke rol bij het herstellen van beschadigd weefsel.
Het team noemde de celtypen respectievelijk DARE en NARE, afkortingen van onhandige wetenschappelijke beschrijvingen die verwijzen naar de aanwezigheid van een enzym genaamd Dronc (zelf ook een acroniem), dat de apoptose in gang zet die normaal gesproken tot de dood zou leiden.
"Een van de wetenschappelijke recensenten wilde dat we de gekozen namen zouden veranderen," zei Arama. "Maar we hebben ze behouden omdat de afkortingen zowel makkelijk te onthouden zijn als hun biologische eigenschappen nauwkeurig weergeven."
'Als een apocalyps'
Namen waren echter bijna het minste van hun zorgen. Op 15 juni, twee dagen na het begin van wat een twaalfdaagse oorlog met Iran zou worden, sloeg een ballistische raket vol explosieven in op de campus van het Weizmann Instituut in Rehovot, waarbij een gebouw naast het laboratorium van Arama werd verwoest en grote schade werd aangericht.
"Ons lab werd niet direct geraakt, maar er waren ramen gebroken en alles was een puinhoop, met water op de vloer, alsof de apocalyps was aangebroken," zei Arama. "Maar eigenlijk hebben we veel geluk gehad, veel meer geluk dan de mensen in het gebouw ernaast."
De staking vond plaats toen het onderzoek al ver gevorderd was en dreigde maandenlang zorgvuldig werk teniet te doen. In het lab bevonden zich honderden reageerbuizen met fruitvliegen, elk een specifieke genetische lijn die de wetenschappers door middel van langdurige kweekprogramma's hadden gecreëerd om een ​​diverse reeks genetische elementen specifiek voor het onderzoek tot expressie te brengen. Als ze gedood zouden worden, zou het onderzoek maanden in beslag nemen om opnieuw te doen.
"We waren bang dat deze vliegenlijnen zouden uitsterven," zei Braun. "We waren bang dat er weer een raketaanval zou plaatsvinden. Je kunt ze niet in een vriezer bewaren. We weten dat het 'slechts' vliegen zijn, maar om één lijn te maken met zoveel kruisingen, injecties, transgenen en mutanten, vergt maanden en maandenlang keihard werk. Elke vliegenlijn, met name in dit onderzoek, bevat tussen de zes en acht verschillende elementen die zijn ingebracht of gemuteerd."
Binnen enkele uren na de aanval slaagden de onderzoekers erin om het beschadigde laboratorium binnen te klimmen, de kostbare vliegen te redden en ze naar een veiligere plek te brengen.
"Dus ik nam de vliegen mee naar huis en bewaarde ze in onze schuilkamer, waar ik tijdens andere aanvallen met mijn gezin verbleef," zei Braun.
Niemand is omgekomen bij de Iraanse raketaanval op het toonaangevende onderzoeksinstituut in Rehovot. De aanval verwoestte echter zo'n 45 laboratoria, waarvan sommige het complete levenswerk van onderzoekers bevatten. De wederopbouw van het zwaarst getroffen gebied zal naar verwachting jaren en tientallen miljoenen shekels kosten.
Men vermoedt dat Iran het instituut als doelwit koos voor de eliminatie van verschillende nucleaire wetenschappers door Israël, als onderdeel van een poging om te voorkomen dat Teheran een kernbom zou verkrijgen.
Tijdens de twaalf dagen van Israëls Operatie Rising Lion vuurde Iran meer dan 500 raketten en 1000 drones af op Israëlische bevolkingscentra, waarbij 32 mensen omkwamen, duizenden gewond raakten en duizenden anderen dakloos werden.
"Misschien vertellen we onze kleinkinderen over raketten en hoe we vliegen mee naar huis moesten nemen," voegde Arama eraan toe. "Niemand zal ons geloven. Het zal surreëel en absurd lijken, maar het is ons gelukt, omdat wetenschap voorop staat."
Celsterfte en nieuw leven
In hun experimenten gebruikten de onderzoekers fruitvliegen (Drosophila), die dezelfde basissystemen voor celherstel en celdood hebben als mensen. De vliegen zijn bovendien gemakkelijk genetisch te manipuleren, waardoor de wetenschappers het weefsel door middel van straling kunnen beschadigen en vervolgens kunnen observeren hoe de cellen reageren.
Arama zei dat wetenschappers in eerdere studies hadden opgemerkt dat fruitvlieglarven, ondanks het afsterven van veel cellen, toch normale vleugels ontwikkelden wanneer ze aan straling werden blootgesteld.
"De cellen die de stralingsschade overleefden, deelden zich snel om het verloren weefsel te vervangen, maar het ontstaan ​​van deze overlevende cellen en hun daaropvolgende vermeerdering konden niet direct worden waargenomen," aldus Arama.
Om te achterhalen wat er precies aan de hand was, onderzochten de wetenschappers hoe straling de vleugelgroei beïnvloedde tijdens het larvenstadium van de vlieg, de periode waarin het primordium, oftewel het eerste stadium van de vleugelontwikkeling, zich voordoet.
De wetenschappers verzamelden uitgekomen vliegenlarven in buizen en stelden ze bloot aan straling op dezelfde manier als kankerpatiënten worden blootgesteld aan straling tijdens hun behandeling.
Vervolgens openden ze de vleugels vier, 24 of 48 uur later om een ​​kijkje te nemen in kleine stukjes cellen, de zogenaamde vleugelimaginale schijven, die later tot vleugels zouden uitgroeien, en om te zien hoe deze reageerden.
"De larven zijn erg klein, ongeveer vier tot vijf millimeter, en ik pluk ze met een pincet in het juiste ontwikkelingsstadium. Vervolgens ontleed ik ze op het objectglaasje onder de microscoop," aldus Braun.
Met behulp van geavanceerde genetische technieken volgden de wetenschappers de cellen met een speciale sensor die cellen markeerde om de activiteit van caspasen te bestuderen. Caspasen zijn enzymen in cellen die helpen bij de celdood. Ze werken als moleculaire scharen en knippen specifieke eiwitten nauwkeurig door, zodat de cel zichzelf veilig kan afbreken.
Bij fruitvliegen is de gebruikelijke taak van het Dronc-caspase om een ​​cel te helpen zichzelf te vernietigen wanneer deze oud of ernstig beschadigd is.
Arama zei dat wetenschappers jarenlang geloofden dat een cel gegarandeerd zou afsterven zodra caspasen geactiveerd waren. Maar het team van Weizmann ontdekte dat dit niet altijd het geval was.
In plaats daarvan identificeerden ze cellen waarin de caspasen wel werden geactiveerd, maar het celdoodproces stopte voordat de cel werd vernietigd. Deze cellen noemden ze DARE-cellen. Omdat de voortgang stopt vóór de uitvoeringsfase, overleven deze cellen in plaats van te sterven.
"We ontdekten dat in DARE-cellen de caspase de eerste stap van het doodsprogramma had geactiveerd, klaar om de cellen te doden, maar de cellen stierven niet," aldus Arama.
De wetenschappers ontdekten dat dit gebeurt omdat een speciaal motorproteïne in DARE-cellen zich vastgrijpt aan het caspase-enzym en voorkomt dat het het celdoodproces voltooit. Dit is wat kankercellen in staat stelt te overleven, zelfs tijdens bestraling of chemotherapie, concludeerden ze.
"Veel tumorcellen stierven door de bestraling, maar sommige werden beschermd door dit motorproteïne," zei Arama. "Misschien moet je dit proteïne dus remmen."
Sommige cellen overleefden zonder dat de caspasen ooit geactiveerd waren; deze cellen worden NARE-cellen genoemd.
Hoewel DARE- en NARE-cellen verschillende overlevingsstrategieën gebruiken, zijn beide belangrijk voor weefselregeneratie. Toen de larven een dag na de bestraling werden ontleed, bleken de DARE-cellen zich te hebben vermenigvuldigd en het weefsel te herstellen.
Na 48 uur hadden NARE-cellen zich erbij aangesloten en was het weefsel bijna weer volledig hersteld.
"We merkten op dat DARE-cellen 24 uur na bestraling tevoorschijn kwamen en dat ze het weefsel in de daaropvolgende 24 uur volledig regenereerden," aldus Arama. "Wij waren de eersten die ze zagen, labelden en ook hun nakomelingen labelden en volgden."
De wetenschappers merkten ook op dat de NARE-cellen alleen in actie kwamen in aanwezigheid van de DARE-cellen, wat erop wijst dat de Dronc-caspase mogelijk niet alleen een rol speelt bij het initiëren van geprogrammeerde celdood, maar wellicht ook een sleutel tot regeneratie bevat.
"Dit is een zeer elegant en belangrijk onderzoek dat ons begrip van hoe weefsels na een verwonding kunnen genezen aanzienlijk vergroot," aldus Steller.
Naast het team van Weizmann werd het onderzoek ook uitgevoerd door prof. Andreas Bergmann van de University of Massachusetts Chan Medical School en prof. Luis Alberto Baena-Lopez van het Severo Ochoa Centrum voor Moleculaire Biologie in Spanje.
De onderzoekers isoleren nu DARE- en NARE-cellen en analyseren ze "cel voor cel", aldus Arama. Ze zullen cellen vergelijken, sommige die aan straling zijn blootgesteld en andere die dat niet zijn.
Ze hopen te begrijpen hoe NARE-cellen stralingsstress overleven, welke signalen ervoor zorgen dat DARE- en NARE-cellen zich zo sterk vermenigvuldigen, en hoe deze cellen weten wanneer ze moeten stoppen met delen.
"Er valt duidelijk nog veel te leren," zei Arama. "Het is nog een flinke stap van fruitvliegen naar zoogdieren, maar je ziet de overeenkomst, hetzelfde biologische principe in verschillende soorten. Dat maakt ons erg enthousiast."
