High-Throughput Morphological Profiling of Patient-Derived Human Liver Organoids for Hepatotoxicity Hazard Identification and Compound Prioritization

De lever is de chemische verwerkingsfabriek van het lichaam, die gifstoffen uit het bloed filtert en medicijnen afbreekt zodat ze kunnen worden gebruikt of veilig kunnen worden uitgescheiden. Omdat dit orgaan zo hard werkt, is het ook de meest voorkomende plek voor schade veroorzaakt door nieuwe medicijnen. Wanneer een medicijn de lever beschadigt, kan dit leiden tot ernstige ziekte of een veelbelovende behandeling dwingen om van de markt te worden gehaald, een falen dat jaren aan onderzoek kost en patiënten zonder genezing achterlaat. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd te voorspellen welke medicijnen de lever zullen schaden voordat ze een menselijke patiënt bereiken. Ze hebben vertrouwd op tests met dierlijke cellen of eenvoudige menselijke cellen die in platte lagen op plastic zijn gekweekt. Deze oude modellen missen echter vaak het doel omdat ze de complexe, driedimensionale structuur van een echte lever en de specifieke genetische samenstelling van verschillende mensen missen. Als gevolg hiervan blijken veel medicijnen die in het lab veilig lijken, in de kliniek gevaarlijk te zijn, terwijl anderen die misschien veilig zouden zijn geweest, te vroeg worden weggegooid.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Michigan heeft een nieuwe manier ontwikkeld om de veiligheid van medicijnen te testen die deze kloof overbrugt. In plaats van platte cellen of dieren te gebruiken, kweekden ze kleine, driedimensionale clusters van menselijk leverweefsel, bekend als organoïden, uit stamcellen van echte patiënten. Deze minuscule weefsels bevatten meerdere soorten levercellen die samenwerken, vergelijkbaar met een miniatuurversie van het orgaan zelf. De onderzoekers stelden deze levende weefsels vervolgens bloot aan een breed scala aan medicijnen en gebruikten geavanceerde camera's om duizenden gedetailleerde foto's te maken van hoe de cellen eruit zagen en zich gedroegen. Door een computer te trainen om subtiele veranderingen in de vorm en structuur van de cellen te herkennen, creëerde het team een systeem dat vroege tekenen van leverschade kan opsporen lang voordat de cellen daadwerkelijk sterven. Deze aanpak biedt een meer menselijke manier om medicijnen te screenen, wat potentieel gevaarlijke bijwerkingen eerder en nauwkeuriger kan opvangen dan ooit tevoren.

Om dit systeem te bouwen, begonnen de wetenschappers met het verzamelen van bloedmonsters van zeven individuen: zes patiënten die eerder leden aan medicijn-geïnduceerde leverschade en één gezond persoon zonder geschiedenis van leverproblemen. Ze herprogrammeerden cellen uit deze bloedmonsters naar stamcellen, die in elk type weefsel in het lichaam kunnen veranderen. Deze stamcellen werden vervolgens gestuurd om te groeien tot leverorganoïden. Omdat de organoïden afkomstig waren van echte mensen, droegen ze de unieke genetische vingerafdrukken van hun donoren. Dit betekende dat de onderzoekers konden zien hoe de levers van verschillende mensen op hetzelfde medicijn zouden reageren, waardoor de natuurlijke variatie in de menselijke populatie werd gevangen. Het team kweekte deze organoïden, brak ze af in individuele cellen en plaatste ze in minuscule putjes op een plaat, waar ze werden behandeld met 74 verschillende medicijnen. Sommige van deze medicijnen waren bekend om het veroorzaken van leverschade, terwijl andere bekend waren als veilig.

Na drie dagen blootstelling fixeerden de onderzoekers de cellen en kleurden ze met speciale fluorescerende kleurstoffen die specifieke delen van de cel benadrukten, zoals de kern, de energieproducerende mitochondriën en vetdruppels. Vervolgens gebruikten ze een krachtige microscoop om gedetailleerde beelden van duizenden cellen in elk putje vast te leggen. De belangrijkste innovatie was niet alleen het maken van de foto's, maar de manier waarop ze deze analyseerden. In plaats van simpelweg te tellen hoeveel cellen er leefden of dood waren, gebruikten ze een computerprogramma om honderden minuscule details over de vormen en texturen van de cellen te meten. De computer leerde specifieke patronen te herkennen die stress of letsel signaleerden, zoals veranderingen in de vorm van de kern of de ophoping van vet. Deze methode stelde hen in staat om subtiele waarschuwingssignalen te detecten die traditionele tests, die alleen kijken naar celsterfte, over het hoofd zouden zien.

De resultaten toonden aan dat deze nieuwe methode zeer effectief was in het onderscheiden van gevaarlijke en veilige medicijnen. Wanneer de computer de beelden van de organoïden analyseerde, identificeerde het de schadelijke medicijnen met een hoge mate van nauwkeurigheid, veel beter dan tests die alleen celoverleving meten. Het systeem was zo gevoelig dat het vroege tekenen van problemen kon opsporen, zelfs wanneer de cellen nog in leven waren. Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat het gebruik van een combinatie van organoïden van alle zeven donoren de beste resultaten gaf. Hoewel de levercellen van elke donor iets anders reageerden, creëerde het middelen van hun reacties een betrouwbaarder vangnet dan het vertrouwen op slechts één type cel. Dit suggereert dat het testen van medicijnen op een divers panel van menselijke weefsels cruciaal is om het brede scala aan manieren waarop mensen op een medicijn kunnen reageren, te vangen.

De studie onthulde ook dat de reactie van de lever op medicijnen niet altijd hetzelfde is voor iedereen. Sommige medicijnen veroorzaakten vergelijkbare veranderingen in alle organoïden, terwijl andere zeer verschillende reacties uitlokten afhankelijk van de donor. Bijvoorbeeld, één medicijn veroorzaakte een massale verschuiving in hoe de cellen eruit zagen bij sommige donoren, maar had bijna geen effect op anderen. Deze variabiliteit weerspiegelt wat er in de echte wereld gebeurt, waarbij sommige mensen ziek worden van een medicatie terwijl anderen dat niet worden. Door exact te meten hoeveel van een medicijn nodig was om deze veranderingen te veroorzaken, konden de onderzoekers de medicijnen rangschikken op hun potentieel om schade te veroorzaken. Ze vonden dat voor veel medicijnen de hoeveelheid die nodig was om schade te veroorzaken in het lab dicht bij de niveaus lag die in het menselijk bloed worden gevonden, wat suggereert dat de test relevant is voor blootstelling in de echte wereld.

Een van de meest significante bevindingen was dat het systeem specifieke soorten leverletsel kon detecteren op basis van de visuele patronen die het zag. De computer groepeerde de medicijnen in clusters op basis van hoe ze de cellen veranderden. Eén groep medicijnen zorgde ervoor dat de cellen eruit zagen alsof ze worstelden met hun energieproductie, terwijl een andere groep de cellen liet volstromen met vet of de membraanstructuur veranderde. Het vermogen om de "handtekening" van de schade te zien, helpt wetenschappers niet alleen te begrijpen dat een medicijn toxisch is, maar ook hoe het de lever mogelijk beschadigt. In één opmerkelijk geval werd een medicijn genaamd sulindac, dat eerder door het systeem was gemist, correct geïdentificeerd als gevaarlijk toen de onderzoekers een kleine hoeveelheid van een ontstekingssignaal aan de test toevoegden. Dit toonde aan dat het systeem kan worden aangepast om medicijnen te vangen die alleen onder specifieke omstandigheden schade veroorzaken, zoals wanneer het lichaam al ontstoken is.

Ondanks hun succes waren de onderzoekers voorzichtig om de beperkingen van hun werk te vermelden. Het systeem is ontworpen om potentiële gevaren te signaleren en medicijnen op risico te rangschikken, niet om precies te voorspellen wie er ziek zal worden of wanneer. Het werkt het best als een vroeg waarschuwingsinstrument om wetenschappers te helpen beslissen welke medicijnen ze verder kunnen brengen en welke ze moeten weggooien. De studie benadrukte ook dat sommige medicijnen die bekend staan om zeldzame, immuungerelateerde leverschade veroorzaken, nog steeds moeilijk te detecteren waren omdat de organoïden niet beschikken over het volledige immuunsysteem dat in een menselijk lichaam wordt gevonden. Echter, de mogelijkheid om ontstekingssignalen aan de test toe te voegen, suggereert een pad voor het verder verbeteren van het systeem.

Uiteindelijk demonstreert dit onderzoek dat het kweken van minuscule, van patiënten afgeleide leverweefsels en het observeren ervan met geavanceerde camera's een veel duidelijker beeld kan geven van de veiligheid van medicijnen dan oudere methoden. Door de subtiele, vroege veranderingen in de cellenstructuur te vangen en rekening te houden met de natuurlijke verschillen tussen mensen, biedt deze aanpak een krachtige nieuwe manier om patiënten te beschermen tegen leverschade. Het vertegenwoordigt een verschuiving van simpelweg vragen of een medicijn cellen doodt naar vragen hoe het ze verandert, wat een dieper, menselijker relevant begrip biedt van hoe medicijnen met ons lichaam interageren. Terwijl de ontwikkeling van medicijnen zich steeds meer beweegt van dierproeven, zullen instrumenten zoals deze essentieel zijn om te garanderen dat nieuwe therapieën zowel effectief als veilig zijn voor de diverse populatie die ze bedoeld zijn te dienen.