Galectin and Myc enable cochlear progenitor expansion in vitro and in vivo

Gehoor is afhankelijk van een delicate, ingewikkelde structuur in het binnenoor die de cochlea wordt genoemd. Binnen dit spiraalvormige orgaan fungeren minuscule haarcellen als de microfoons van het lichaam, die geluidsgolven omzetten in elektrische signalen die de hersenen kunnen begrijpen. Bij zoogdieren groeien deze haarcellen, zodra ze zijn beschadigd door hard geluid, veroudering of bepaalde medicijnen, niet meer terug. De omliggende ondersteunende cellen, die gewoonlijk stil en inactief zijn, missen het vermogen om te delen en de verloren onderdelen te vervangen. Dit permanente verlies leidt tot gehoorbeperking die de huidige geneeskunde niet kan omkeren. Natuur echter biedt een kort venster van gelegenheid bij pasgeboren zoogdieren. Gedurende een korte tijd na de geboorte blijft een specifieke groep cellen naast het gehoorgenerende orgaan, bekend als de greater epithelial ridge, in staat om te delen en te veranderen in nieuwe haarcellen. Deze tijdelijke populatie verdwijnt binnen het eerste levensweekje, precies wanneer het gehoor begint, waardoor het oor zonder natuurlijk herstelmechanisme achterblijft. Begrijpen hoe deze pasgeboren cellen hun regeneratie beheren, en waarom ze daarmee stoppen, zou de sleutel kunnen zijn tot het ontsluiten van soortgelijke herstelvaardigheden bij volwassenen.

Onderzoekers aan Stanford University en andere instellingen hebben nu een nauw kijkje genomen in deze pasgeboren cellen om de moleculaire instructies te ontdekken die hun groei aansturen. Ze richtten zich op de greater epithelial ridge-cellen van pasgeboren muizen, die bekend staan als krachtige stamcellen die in staat zijn om in een laboratoriumschaal driedimensionale clusters te vormen die organoïden worden genoemd. Deze organoïden bootsen het ontwikkelende binnenoor na, waarbij ze groeien in structuren die nieuwe haarcellen en ondersteunende cellen bevatten. Om de schakelaar te begrijpen die deze cellen van een rusttoestand naar een snel delende toestand zet, isoleerden de wetenschappers de cellen en observeerden ze terwijl ze gedurende enkele dagen groeiden. Ze legden snapshots vast van de genetische activiteit binnen individuele cellen op één, drie en zeven dagen nadat ze begonnen met groeien. Door de genetische code van honderden van deze cellen te lezen, creëerden ze een gedetailleerde kaart van hoe de cellen veranderden toen ze begonnen te vermenigvuldigen.

De analyse onthulde een duidelijk veranderingspatroon. Terwijl de cellen begonnen te delen, begonnen ze hoge niveaus van specifieke eiwitten te produceren die cellen helpen aan elkaar en aan hun omgeving te hechten. Twee van deze eiwitten, bekend als galectine-1 en galectine-3, vielen op door bijzonder actief te zijn tijdens de vroege stadia van groei. Nog een belangrijke speler die werd geïdentificeerd, was een eiwit genaamd Myc, dat algemeen bekend staat om zijn rol in het vertellen van cellen om de celcyclus te betreden en te beginnen met delen. De onderzoekers ontdekten dat deze factoren niet alleen aanwezig waren, maar essentieel waren. Wanneer de wetenschappers medicijnen gebruikten om de activiteit van galectine-1, galectine-3 of Myc te blokkeren, stopten de cellen met groeien. De organoïden slaagden er niet in te vormen of bleven klein en zwak. Omgekeerd, wanneer zij kunstmatig de hoeveelheid galectine-1 of Myc in de cellen verhoogden, groeiden de organoïden groter en bevatten ze meer cellen. Dit bevestigde dat deze specifieke moleculen fungeren als regulatoren, die controleren of de cochleale cellen zich uitbreiden en vermenigvuldigen.

De studie ging een stap verder om te zien of deze bevindingen van toepassing konden zijn op oudere cellen die al het vermogen om te regenereren hebben verloren. Bij volwassen muizen is de greater epithelial ridge verdwenen, en de resterende cellen in de cochlea zijn over het algemeen niet in staat om nieuwe organoïden te vormen. De onderzoekers testten of ze dit slapende potentieel konden wekken in cellen afkomstig van muizen van twee weken oud, een leeftijd waarop het gehoor al is begonnen. Ze gebruikten een onschadelijk virus om extra kopieën van de galectine-1- of Myc-genen direct in deze oudere cellen te leveren. Het resultaat was opmerkelijk: terwijl het toevoegen van extra galectine-1 niet veel veranderde, slaagde het toevoegen van extra Myc erin om de oudere cellen te bewegen tot deling en het vormen van organoïden. Dit toonde aan dat de genetische machinerie die nodig is voor regeneratie niet volledig verloren is gegaan in oudere cellen; het kan worden gereactiveerd door de juiste moleculaire trigger.

Om te waarborgen dat deze laboratoriumbevindingen de werkelijkheid in een levend dier weerspiegelen, keken de onderzoekers ook naar het binnenoor van muizen die schade hadden opgelopen. Ze gebruikten een methode om specifieke ondersteunende cellen in de cochlea van pasgeboren muizen te vernietigen, wat normaal gesproken de nabijgelegen greater epithelial ridge-cellen ertoe aanzet om te delen en het verloren weefsel te vervangen. In deze beschadigde oren observeerden de onderzoekers een scherpe toename van de niveaus van galectine-1, met name in de cellen die begonnen te delen. Wanneer zij de werking van galectine-1 in deze beschadigde dieren blokkeerden, stopten de cellen met delen en werd het herstelproces gestopt. Dit bevestigde dat hetzelfde mechanisme dat in de schaal is geïdentificeerd, actief aan het werk is in het levende oor en het natuurlijke reactieproces op letsel aanstuurt.

Het werk geeft een helder beeld van hoe een specifieke set moleculaire signalen het regeneratieve vermogen van het binnenoor stuurt. Het laat zien dat de overgang van een stille, niet-delende toestand naar een actieve, groeiende toestand wordt gedreven door veranderingen in hoe cellen interageren met hun omgeving en met elkaar, gemedieerd door eiwitten zoals galectine-1 en Myc. Hoewel de studie geen onmiddellijk geneesmiddel biedt voor gehoorverlies, identificeert het de precieze hendels die de celgroei controleren. Door aan te tonen dat deze hendels kunnen worden overgehaald om groei te herstarten in oudere cellen, opent het onderzoek een pad naar de ontwikkeling van therapieën die er misschien ooit in slagen het gehoor te herstellen door de eigen slapende herstelmechanismen van het oor te doen ontwaken. De bevindingen suggereren dat het potentieel voor regeneratie in de cellen zelf bestaat, wachtend op de juiste moleculaire sleutel om het te ontsluiten.