Naloxone as mitochondrial phenotype rescuer in a 3D bioprinted LCHADD/VLCADD model

Voor miljoenen mensen is het vermogen van het lichaam om vet in energie om te zetten een naadloos, automatisch proces. Maar voor een kleine groep individuen die geboren zijn met zeldzame metabole stoornissen, is deze essentiële energieconversie defect. Wanneer deze patiënten vasten, ziek worden of te maken krijgen met een hoge energiebehoefte, kunnen hun lichamen langketenige vetten niet verwerken, wat leidt tot een gevaarische ophoping van toxische bijproducten en een plotselinge daling in energie. Deze conditie, bekend als een long-chain fatty acid oxidation disorder (stoornis in de oxidatie van langketenige vetzuren), treft het hart en de spieren het hardst, en veroorzaakt vaak levensbedreigende crises. Hoewel artsen de aandoening momenteel beheren met strikte diëten en specifieke supplementen, zijn deze behandelingen grotendeels ondersteunend; ze helpen het lichaam om eromheen te werken, maar herstellen de onderliggende cellulaire schade niet. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd een manier te vinden om nieuwe therapieën te testen, omdat de ziekte zo zeldzaam is dat er geen grote groepen patiënten beschikbaar zijn voor klinische trials, en bestaande diermodellen de menselijke ervaring niet volledig nabootsen.

Een team wetenschappers aan de Medische Universiteit van Innsbruck heeft nu een nieuw soort testomgeving gebouwd om deze kloof te overbruggen. In plaats van te vertrouwen op dieren of eenvoudige celculturen, creëerden zij een levend, driedimensionaal model van menselijk weefsel dat de complexe omgeving binnen het lichaam nabootst. Met behulp van een techniek genaamd 3D-bioprinting assembleerden zij minuscule, gevasculariseerde weefselstructuren die gezonde cellen en cellen direct van patiënten met de stoornis bevatten. Dit platform stelde hen in staat om te observeren hoe de ziekte het ondersteuningssysteem van het lichaam beschadigt en om te testen of een veelvoorkomend, bestaand medicijn de schade kon omkeren. Hun werk suggereert dat een medicijn dat al wordt gebruikt om overdoses van opioïden te behandelen, een nieuwe manier zou kunnen bieden om patiënten tijdens metabole crises te beschermen door de machine die energie genereert, daadwerkelijk te repareren.

De onderzoekers begonnen door naar de cellen zelf te kijken. Ze namen huidmonsters van patiënten met twee specifieke soorten van de stoornis, LCHADD en VLCADD, en kweekten deze in het laboratorium. Onder een microscoop zagen deze patiëntencellen er anders uit dan gezonde cellen. Hun mitochondriën — de kleine energiecentrales in elke cel die voedsel in energie omzetten — waren opgebroken in kleine, verspreide fragmenten in plaats van de lange, verbonden netwerken die te zien zijn in gezonde cellen. Deze fragmentatie ging gepaard met een piek in reactieve zuurstofverbindingen, instabiele moleculen die werken als interne roest en de cel van binnenuit beschadigen. De wetenschappers wisten dat deze oxidatieve stress waarschijnlijk de oorzaak was van de kapotte mitochondriën, dus testten zij of het stoppen van de productie van deze "roest" de cellen kon repareren.

Ze behandelden de patiëntencellen met naloxon, een medicijn dat vooral bekend staat om het terugdraaien van opioïdoverdoses, maar dat ook in staat is om een specifiek enzym te blokkeren dat schadelijke zuurstofmoleculen produceert. De resultaten waren opmerkelijk. Binnen drie dagen begonnen de gefragmenteerde mitochondriën in de patiëntencellen weer te verbinden en vormden zij opnieuw lange, gezonde netwerken. De niveaus van schadelijke zuurstofmoleculen daalden naar het normale niveau en de cellen stopten met het razendsnel en inefficiënt consumeren van glucose, waarmee ze probeerden te compenseren voor hun kapotte energiesystemen. Cruciaal was dat wanneer de onderzoekers dezelfde behandeling aan gezonde cellen gaven, er niets veranderde. Het medicijn veranderde de cellen die al correct functioneerden niet, wat suggereert dat het specifiek de ziektetoestand aanpakt zonder de normale biologie te verstoren.

Om te begrijpen hoe dit gebeurde, keken het team naar de eiwitten die de vorm van de mitochondriën controleren. Ze ontdekten dat het medicijn de balans herstelde tussen twee belangrijke eiwitten: één die de mitochondriën helpt om samen te smelten en een andere die hen helpt om te delen. In de onbehandelde patiëntencellen was deze balans verstoord, waardoor de energiecentrales in een defecte staat bleven hangen. Het medicijn hielp de cellen om het vermogen te herwinnen om hun interne structuren te remodelleren, waardoor ze beschadigde onderdelen konden opruimen en functionele netwerken konden herbouwen. Deze reparatie strekte zich uit voorbij alleen de energiecentrales. De onderzoekers analyseerden de genetische instructies in de cellen en ontdekten dat de ziekte een "stressprogramma" had geactiveerd dat de cellen liet zich gedragen als littekenweefsel, waarbij ze dikke, stugge vezels produceerden en hun vorm veranderden. Het medicijn schakelde dit stressprogramma uit, waardoor de cellen terugkeerden naar een meer ontspannen, gezonde staat.

De meest significante test vond echter plaats in de 3D-geprinte modellen. De wetenschappers printten minuscule ringen van weefsel die een mengsel van patiëntencellen, bloedvatcellen en stamcellen bevatten. In modellen die gebouwd waren met onbehandelde patiëntencellen, vormden de bloedvaten zich niet goed. De netwerken waren schaars, kort en niet verbonden, niet in staat om het complexe web te creëren dat nodig is om zuurstof en voedingsstoffen aan te voeren. Deze mislukking gebeurde omdat de gestreste patiëntencellen een rigide, fibreuze omgeving produceerden die de groei van de bloedvaten blokkeerde. Wanneer de onderzoekers het medicijn aan deze modellen toevoegden, veranderde de uitkomst drastisch. De bloedvaten groeiden langer, vertakten vaker en vormden dichte, gezonde netwerken die precies leken op die in modellen gebouwd met gezonde cellen. Het medicijn maakte in feite het pad vrij, waardoor het weefsel zijn eigen levensondersteunend systeem kon opbouwen.

Dit onderzoek suggereert dat de schade veroorzaakt door deze zeldzame metabole stoornissen niet beperkt is tot één enkel defect enzym, maar zich verspreidt naar de zeer structuur en het gedrag van de cellen. Door de productie van schadelijke zuurstofmoleculen te blokkeren, lijkt naloxon deze cascade van schade te stoppen, waardoor de cellen hun energiesystemen kunnen repareren en de groei van gezonde bloedvaten kunnen ondersteunen. Hoewel dit onderzoek in een laboratoriumsetting is uitgevoerd en nog niet bewijst dat het medicijn als behandeling bij mensen zal werken, biedt het een krachtige nieuwe manier om therapieën te testen. De 3D-geprinte weefselmodellen bieden een realistisch menselijk platform om te screenen op medicijnen die de diepe cellulaire wortels van de ziekte kunnen herstellen, waarmee men verder gaat dan eenvoudige dieetbeheersing naar het potentieel om het vermogen van het lichaam te redden om energie te genereren wanneer dat het hardst nodig is.