Apoptose

Apoptose - apoptosis - (Grieks: apo 'afkomstig van' en ptosis 'val, instorting') Het fysiologisch uiteenvallen van cellen, en opruimen van de fragmenten die door fagocyten worden opgenomen en daarin door lysis of door lysosomale enzymwerking worden afgebroken. (Zie virtual biology)

Wim Köhler (2001). Celzelfmoord - Onderzoekers maken apoptose zichtbaar in kloppend muizenhart. NRC 22 dec. p. 48.

Met het eiwit annexine-V hebben cardiologie-onderzoekers zelfmoord plegende lichaamscellen zichtbaar gemaakt. Zowel bij kanker als bij hartziekten wordt dit een belangrijke detectietechniek.

De geprogrammeerde dood van lichaamscellen (apoptose) speelt een grote rol bij hartziekten en kanker, maar de zelfmoordplegende cel was in levende dieren of mensen nog niet zichtbaar gemaakt. Onderzoekers van het cardiovasculair Research Instituut in Maastricht publiceerden deze maand de foto's waarop ze in een kloppend muizenhart de cellen laten zien die door apoptose gaan sterven (Nature Medicine, dec. 2001).

Vorig jaar hadden ze al - minder gedetailleerd - de celzelfmoord in de harten van overlevenden van een hartinfarct laten zien (The Lancet, 15 juli 2000). Amerikaanse collega's maakten met de Maastrichtse techniek opnamen van apoptose in de harten van harttransplantatie-patiënten die last hadden van afstotingsverschijnselen (Nature Medicine, dec 2001). Als die patiënten meer afweersysteemonderdrukkende medicijnen slikten, werd de apoptose in het ontvangen hart zichtbaar minder.

"Dat is de toekomst van onze techniek", zegt projectleider en cardioloog dr. Leo Hofstra. "Je kunt met onze techniek onmiddellijk het effect van een therapie beoordelen. Er begint binnenkort bijvoorbeeld een onderzoek bij longkankerpatiënten. " Longkankerpatiënten krijgen een standaardmix van chemotherapie aangeboden. Bij sommige mensen slaat die cocktail niet aan en sterven de kankercellen niet, terwijl een andere combinatie van celdodende middelen misschien wel enige verbetering brengt. Kankercellen die door chemotherapie sterven, gaan ook door apoptose dood. Hofstra: "Nu moet een patiënt weken wachten voordat op een longfoto duidelijk is dat de tumor niet kleiner wordt en de therapie niet aanslaat, waarna een andere cocktail wordt geprobeerd. Wij kunnen met onze detectie-techniek waarschijnlijk al na een dag laten zien of de chemotherapie aanslaat, omdat bij succesvolle chemotherapie de kankercellen in apoptose gaan."

Stolsel

Hofstra en zijn cardiologie-onderzoekers ontwikkelden de apoptosedetectietechniek om na een hartinfarct de schade aan de hartspier vast te kunnen stellen. Een hartinfarct ontstaat als één van de drie aftakkingen van de kransslagader die het hart van zuurstofrijk bloed voorziet door een stolsel verstopt raakt. Stolseloplossende medicijnen of een snelle dotterbehandeling zorgen voor reperfusie: het opheffen van de verstopping.

"Reperfusie is een tweesnijdend zwaard", vat Hofstra een belangrijk dilemma van de cardiologen samen. "Het vat moet open, want anders sterft het deel van de hartspier dat benedenstrooms van de verstopping ligt zeker. Maar pas als het geïnfarcteerde deel van de hartspier weer zuurstof krijgt, komt er apoptose op gang." Wel blijft de schade beperkt als het bloedvat snel weer wordt geopend. Hofstra: "Ongeveer 20% van de hartspiercellen gaat dood als het vat een uur is afgesloten. Blijft het vat langer dicht dan is de schade groter." Niet voor niets heet het eerste uur na het ontstaan van het infarct in de cardiologie het golden hour.

Apoptose is een door de stervende cel zelf geregeld proces. Hij eindigt in onderdelen, verpakt en klaar voor hergebruik als bouwstof door andere cellen. De Maastrichtse arts-onderzoeker Ewald Dumont maakte de apoptose zichtbaar in het kloppende muizenhart met het eiwit annexine-V, waaraan een fluorescerend of radioactief label is gekoppeld. Het gen voor annexine-V is eind jaren tachtig uit het menselijk genoom opgepikt door de Maastrichtse biochemicus en grondlegger van het onderzoek dr. Chris Reutelingsperger. Hij had toen nog niets met apoptose te maken, maar deed promotieonderzoek naar de biochemie van de bloedstolling. Annexine-V verstoorde Reutelingspergers experimenten. "Ik kreeg in mijn proeven te maken met een verstorend eiwit. Ik heb het gekarakteriseerd en vond een lid van een familie van eiwitten die de bloedstolling tegengaan, annexinen." Bloedstollingsonderzoekers zijn niet enthousiast over annexine-V, want zijn antistollende werking wordt niet als voldoende specifiek beschouwd, waardoor medicinale toepassingen niet voor de hand liggen.
Reutelingsperger kreeg een aanstelling als KNAW-fellow, waardoor hij risicovol onderzoek kon doen: "Gelukkig heb ik daardoor verder kunnen werken aan annexine-V .In 1993 ontdekte ik dat annexine-V bindt aan cellen die in apoptose gaan. Inmiddels wordt annexine-V wereldwijd gebruikt om apoptose te meten."

Membranen

Voor de apoptosedetectie is van belang dat annexine-V bindt aan fosfatidylserine. Dat is één van de vetachtige stoffen waaruit de biologische membranen van celwanden zijn opgebouwd. In gezonde cellen zit fosfatidylserine alleen aan de binnenkant van hetcelmembraan. Een van de eerste kenmerken van een cel die zelfmoord gaat plegen is dat fosfatidylserine ook aan de buitenkant van het celmembraan verschijnt. Annexine-V dat in bloed en het buitencellulaire vocht passeert bindt dus niet aan gezonde cellen, maar wel aan cellen die in apoptose gaan.

In een kloppend muizenhart waarin een half uur lang kunstmatig een hartinfarct is opgewekt, begint de apoptose benedenstrooms van de verstoppingsplaats krap tien minuten nadat het bloedvat is ontstopt. Hofstra: "Bij de muis komt de apoptose waarschijnlijk sneller op gang dan bij de mens. De muis heeft een snellere stofwisseling. Het muizenhart klopt ook 400 tot 500 keer per minuut." De muis ondergaat het experiment met geopende borstkas en liggend onder een microscoop waardoor het groen-fosforescerend oplichten van de hartspiercellen is te zien.

In de mens is de apoptose niet op deze manier, en ook niet zo snel zichtbaar te maken. Mensen krijgen annexine-V ingespoten waaraan een radioactief label van het isotoop Technetium-99 is gebonden. Dat vervalt snel onder uitzending van tamelijk onschuldige gammastralen die in een röntgenapparaat zichtbaar worden. Hofstra: "Dat annexine-technetium wordt eerst in de bloedbaan gespoten en moet zich vervolgens door het lichaam verspreiden. Je kunt het signaal uit het hart al met al pas tien uur na de reperfusie meten."

De eerste experimenten met technetiumgelabelde annexine-V bij hartinfarctpatiënten hebben laten zien dat de techniek werkt, maar het experiment krijgt pas betekenis voor arts en patiënt als het effect van een behandeling ermee kan worden beoordeeld. Reutelingsperger: "Het is nog niet bewezen, maar annexine bindt waarschijnlijk pas nadat de cel het point of no return is gepasseerd. Als het fosfatidylserine aan de buitenkant verschijnt is de apoptose waarschijnlijk niet meer terug te draaien. Als je een medicijn hebt dat op dat moment de zelfmoord stopt, resteert er toch geen levende cel meer. Je moet ingrijpen in de voorbereidende fase van de apoptose."

De muis met kloppend hart waarin op celniveau apoptose zichtbaar is, is een ideaal model om therapieën uit te proberen. De Maastrichtse groep heeft al een aantal experimentele apoptoseremmers van een Amerikaans biotechbedrijf op het muismodel getest. Hofstra: "Het is in ieder geval duidelijk dat die apoptoseremmers snel moeten worden gegeven, al tijdens de reperfusie. Bij de muis hebben we met een experimentele apoptoseremmer al 50 tot 60 procent van de apoptoseschade na reperfusie weten te voorkomen."

Wim Köhler (2000). Afweercel herkent stervende cel aan fosfatidylserine. NRC 6 mei. p.57.

In veelcellige organismen sterven dagelijks vele cellen, bij de mens zijn het er vele miljoenen. De meeste cellen gaan gecontroleerd dood. Dat proces heet apoptose, of geprogrammeerde celdood. De cel breekt zichzelf van binnen uit af en levert zijn gerecyclede bouwstenen verpakt in membraanblaasjes af voor hergebruik. Pas op het laatst verzwelgen macrofagen (een type celverslindende afweercellen) de restjes.

Apoptose is nog niet zo lang bekend, maar blijkt een steeds belangrijker rol te vervullen in de fysiologie van het leven. Daarnaast sterft een meestal kleine hoeveelheid cellen na beschadiging door slijtage of na een infectie door een micro-organisme. Dan is het eigen celmechanisme ondermijnd en is georganiseerde apoptose onmogelijk. De beschadigde cel verdwijnt door necrose.

Het afweersysteem is onmiddellijk actief om necrotiserende cellen snel weg te werken en veroorzaakt daartoe een ontstekingsreactie. Cellen in necrose zijn een ideale voedingsbodem voor bacteriën.
Een secundaire bacteriële infectie zoals een longontsteking ontstaat bijvoorbeeld op cellen die in necrose zijn na een infectie door een virus. Als necrose op grote schaal plaatsvindt ontaardt het proces in rotting, waarbij bacteriën het natuurlijke opruimsysteem te snel af zijn.

De vraag is hoe ons lichaam van een dode cel weet of hij in necrose of in apoptose is. Amerikaanse onderzoekers hebben het mechanisme ontrafeld waardoor het afweersysteem herkent of een stervende cel geprogrammeerd of chaotisch sterft (Nature, 4 mei).

Cruciaal in het proces is een vetachtig molecuul (fosfatidylserine) dat normaal gesproken alleen aan de binnenzijde van een celmembraan zit, maar tijdens apoptose ook aan de buitenzijde komt te zitten. Dat geeft de in de buurt van stervende cellen klaarliggende macrofagen het signaal om voorlopig ontstekingsreacties te onderdrukken.

De macrofagen die fosfatidyiserine aan een fosfatidylreceptor op hun buitenmembraan binden zenden daartoe boodschappermoleculen uit naar andere afweercellen. De onderzoekers isoleerden het gen voor de fosfatidylreceptor bij de mens en ontdekten dat het gen ook voorkomt in de worm C. elegans en het fruitvliegje, waar het een tot nu toe niet opgehelderde functie heeft. Het doet wel vermoeden dat de bescherming van geprogrammeerd stervende cellen tegen het eigen afweersysteem verloopt volgens een mechanisme dat in het dierenrijk wijd verbreid is.

PTEN, het apoptosegen?

Canadezen claimen doorbraak voor behandeling van kanker.

Toronto (ANP) - Wetenschappers in Canada zeggen te hebben ontdekt welk gen een belangrijke rol speelt bij het ontstaan van kanker. Het verdwijnen of beschadigen van dit gen zou het natuurlijke afsterven belemmeren van cellen die zich vervolgens ongeremd gaan vermenigvuldigen.

De onderzoekers zijn verbonden aan het Ontario Cancer Institute Princess Margaret Hospital in Toronto. Moleculairbioloog Stambolic zegt dat zijn onderzoek heeft aangetoond dat het gen PTEN er voor zorgt dat een cel afsterft als er iets mee mis is. Dit gen komt voor in iedere lichaamscel. Het bestaan ervan is pas in 1997 geïdentificeerd en nu is een van zijn functies ontsluierd.

Beschadiging of verlies van het PTEN-gen belemmert het programma in een cel om een natuurlijk afstervingsproces op gang te brengen als de cel niet meer naar behoren fuctioneert. In plaats daarvan wordt een overlevingsprogramma gestart dat tot gevolg heeft dat de foute cel gereproduceerd wordt, inclusief de fouten die erin zitten en ook zonder afstervingsprogramma. Het gevolg is een ongeremde groei met als resultaat kankers in hersenen, eierstokken, schildklier, borst of baarmoeder.

Volgens een Canadese onderzoeker op het gebied van het afweersysteem, Tak Mak, is een belangrijk stukje gevonden in de grote kankerpuzzel. Aangetoond is hoe een normale cel in staat is een tumor te worden. Dit heeft volgens hem reusachtige klinische mogelijkheden.

Tijdens het onderzoek zijn honderden muizen gefokt zonder het PTEN-gen. Zij ontwikkelden binnen drie maanden tumoren. Met ultraviolette straling, zeer sterke verhitting en het behandelen met diverse soorten chemotherapie bleken de tumorcellen zonder PTEN-gen niet te stoppen. Door de zieke muizen te injecteren met een virus dat het PTEN-gen bij zich droeg, bleken de cellen hun afstervingsprogramma echter te herstellen en werd de groei van de tumoren gestopt.

Volgens Tak Mak is hier sprake van een medische doorbraak in het kankeronderzoek. Er is een belangrijke stap gezet op weg naar medicijnen die de ongeremde groei van cellen tot een tumor kunnen tegenhouden.

apoptose - apoptosis - cellulaire zelfmoord.

Cellen blijken bijzonder onzelfzuchtig. Als het leven van het organisme waarvan ze deel uitmaken op het spel staat, schakelen ze ogenblikkelijk een programma in dat tot hun dood leidt. Deze geprogrammeerde celdood speelt een grote rol in het voorkómen van tumoren en het afsterven van overbodige zenuwcellen tijdens de ontwikkeling van het zenuwstelsel.
Rond dit proces is de laatste jaren een hausse geweest van ontdekkingen en publikaties. Het eiwit ICE speelt een belangrijke rol in apoptosis en de rondworm Caenorhabditis elegans speelde hierin een rol. Onderzoekers vonden in de jaren '80 een eiwit dat de celdood verhindert en een eiwit dat dit bespoedigt. Dat laatste eiwit bleek bij zoogdieren een tweelingbroer te bezitten: ICE, dat staat voor "interleukine-1b-converting enzyme" en is betrokken bij het aanzwengelen van apoptosis. Dat is niet zo verwonderlijk, want het proces blijkt evolutionair goed geconserveerd. Zo is er bij zoogdieren ook een celdoodremmend eiwit gevonden: Bcl-2. (De naam stamt van het leukemisch B-cel-lymfoom, waarin dit eiwit voor het eerst werd geïdentificeerd.) Het evenwicht tussen dit eiwit Bcl-2 en het eiwit ICE beslist over dood of leven van een cel.

Bij de nematode (rondworm) Caenorhabditis elegans komt een mutatie voor die de levensverwachting van de worm verdubbelt. Deze mutatie komt voor in het daf-2-gen, maar moet wel samengaan met een intact daf-16-gen. (Spektrum der Wissenschaft, 1994)

M.v.g. G. Nevenzel.

Overzicht van onderwerpen.