Establishment of a human pluripotent stem cell-derived sensory neuron model for diabetic peripheral neuropathy and pharmacological evaluation

Voor miljoenen mensen die met diabetes leven, kan een stille en pijnlijke complicatie de zenuwen van hun handen en voeten overnemen. Deze aandoening, bekend als diabetische perifere neuropathie, begint met een verlies van gevoel, vaak beschreven als een gevoelloosheid die als een kous of een handschoen om de ledematen kruipt. Na verloop van tijd verdiept de schade zich, waardoor de lange, dunne vezels die signalen van de huid naar de hersenen dragen, verwelken en afsterven van buiten naar binnen. Hoewel artsen de pijn kunnen beheersen, is er momenteel geen behandeling die deze zenuwdegeneratie kan stoppen of omkeren. De zoektocht naar een dergelijk geneesmiddel is gestagneerd door een fundamenteel probleem: wetenschappers hebben een betrouwbare manier gemist om menselijke zenuwcellen in het laboratorium te bestuderen. De cellen in een muis of een rat gedragen zich anders dan die in een mens, en het direct nemen van zenuwweefsel van menselijke patiënten is vaak onmogelijk. Zonder een menselijk model dat de ziekte nauwkeurig nabootst, is het testen van nieuwe medicijnen alsof men probeert een complexe motor te repareren zonder de motor zelf ooit te hebben gezien.

Een team van onderzoekers van het Beijing Shunyi District Hospital heeft nu die ontbrekende motor gebouwd. Ze creëerden een laboratoriummodel met behulp van menselijke stamcellen die uitgroeien tot volwassen sensorische neuronen, het specifieke type zenuwcel dat wordt aangetast door diabetische neuropathie. Door deze menselijke cellen bloot te stellen aan de hoge suikerniveaus en oxidatieve stress die bij diabetes voorkomen, waren de wetenschappers in staat om de zenuwschade in realtime te observeren. Hun werk bevestigt dat de schade wordt veroorzaakt door de toxische effecten van suiker op de energiesystemen van de cel, en niet alleen door de fysieke druk van hoge vloeistofniveaus. Belangrijker nog, ze toonden aan dat dit model kan voorspellen of een medicijn de zenuwen zal beschermen. Toen ze drie bestaande medicijnen testten, overleefden de cellen en bleven de lange, delicate vertakkingen van de zenuwen intact, wat een nieuw pad biedt voor het vinden van behandelingen die daadwerkelijk de schade kunnen herstellen.

Om te begrijpen hoe dit nieuwe model werkt, moet men eerst kijken naar de bron van de cellen. De onderzoekers begonnen met menselijke pluripotente stamcellen, een bijzonder type cel dat in elk weefsel in het lichaam kan veranderen. Met behulp van een zorgvuldig getimede sequentie van chemische signalen stuurden ze deze stamcellen aan om sensorische neuronen te worden. Dit proces duurde vijfendertig dagen. De resulterende cellen waren geen gemengde zak van verschillende typen; ze vormden een zuivere populatie van sensorische neuronen, geverifieerd door de aanwezigheid van specifieke markers die hen als zodanig identificeren en de afwezigheid van markers voor motorische neuronen. Deze zuiverheid was essentieel, omdat het ervoor zorgde dat de waargenomen schade later specifiek plaatsvond in de sensorische zenuwen die betrokken zijn bij de ziekte, in plaats van verward te worden met andere celtypen.

Met een betrouwbare voorraad menselijke sensorische neuronen zette het team zich erop in om de omstandigheden van diabetische neuropathie in een schaaltje na te bootsen. Ze wisten dat patiënten met deze aandoening lijden aan chronisch hoge bloedsuikerspiegels, wat uiteindelijk leidt tot een ophoping van schadelijke moleculen genaamd reactieve zuurstofverbindingen die de energiefabrieken van de cel, de mitochondriën, beschadigen. Om dit na te bootsen, stelden ze de cellen eerst gedurende vierentwintig uur bloot aan een hoge concentratie glucose. Vervolgens voegden ze een uitbarsting van waterstofperoxide toe om een acute oxidatieve stress te triggeren, wat de plotselinge pieken in schade simuleert die in het lichaam optreden. Een cruciale stap in hun ontwerp was het uitsluiten van een veelvoorkomende verwarring in eerdere studies: ze wilden weten of de schade werd veroorzaakt door de suiker zelf of simpelweg door het feit dat hoge suiker de vloeistof in het schaaltje dikker en meer onder druk zet. Om dit te testen, voegden ze een stof genaamd mannitol toe aan een controlegroep om dezelfde fysieke druk te creëren zonder de suiker. De cellen in de suikergroep leden aanzienlijke schade, terwijl de cellen in de groep met enkel druk gezond bleven. Dit bewees dat de verwonding werd gedreven door de metabole toxiciteit van de glucose, en niet door de fysieke druk.

Zodra het letselmodel was gevestigd, testten de onderzoekers of het model medicijnen kon identificeren die de zenuwen mogelijk zouden kunnen beschermen. Ze selecteerden drie verbindingen die bekend staan om hun potentieel om stress te verminderen of de celgezondheid te verbeteren: N-acetylcysteïne, minocycline en metformin. Voordat ze de cellen blootstelden aan de schadelijke stress, gaven ze de cellen een voorsprong van twee uur met een van deze medicijnen. De resultaten waren duidelijk. De onbehandelde cellen, overweldigd door de stress, vertoonden een enorme toename van schadelijke moleculen en een instorting van hun mitochondriale functie. In contrast hiermee behielden de met de medicijnen behandelde cellen hun interne evenwicht. De schadelijke moleculen werden in toom gehouden en de energieproducerende mitochondriën bleven stabiel. Alle drie de medicijnen slaagden erin de onmiddellijke dood van de cellen te voorkomen, waarbij N-acetylcysteïne het sterkste effect liet zien bij het herstellen van de interne omgeving van de cel.

De ware test voor een model voor diabetische neuropathie is echter niet alleen of het een cel enkele uren in leven kan houden, maar of het de langzame, progressieve dood van de lange takken van de zenuw kan voorkomen. Bij patiënten wordt de ziekte gekenmerkt door een "dying-back"-patroon waarbij de uiteinden van de zenuwen als eerste afbreken. Om te zien of hun model dit kon vangen, lieten de onderzoekers het experiment een periode van eenentwintig dagen lopen. In de groep die geen medicijnbehandeling kreeg, begon het netwerk van zenuwvezels te fragmenteren en te verdwijnen, waarbij bijna zeventig procent van de structuur in drie weken tijd verloren ging. Dit weerspiegelde het wegkwijnen dat bij menselijke patiënten wordt gezien. Maar in de groepen waar de cellen de vroege medicijnbehandeling hadden ontvangen, bleven de zervnetwerken robuust en verbonden. De medicijnen hadden de cellen niet alleen in leven gehouden; ze hadden de complexe architectuur van de zenuwen bewaard, waardoor de langdurige degeneratie die de ziekte definieert, werd voorkomen.

Deze studie vormt een belangrijke stap voorwaarts in de strijd tegen diabetische neuropathie door een instrument te bieden dat de taal van de menselijke biologie spreekt. De onderzoekers hebben aangetoond dat ze zuivere menselijke sensorische neuronen kunnen kweken, ze kunnen blootstellen aan de specifieke metabole stress van diabetes, en de resulterende schade met hoge precisie kunnen observeren. Door te bewijzen dat de schade metabool is in plaats van fysiek, en door aan te tonen dat het model zowel onmiddellijke cellulaire redding als langdurige structurele bescherming kan detecteren, hebben ze een platform gecreëerd dat klaar is voor gebruik. Dit systeem stelt wetenschappers in staat om potentiële therapieën te screenen met een niveau van vertrouwen dat voorheen onmogelijk was, waardoor de kloof tussen laboratoriumexperimenten en de complexe realiteit van menselijke ziekte wordt overbrugd. Het werk suggereert dat met de juiste instrumenten de zoektocht naar behandelingen die de zenuwschade kunnen stoppen of omkeren niet langer alleen een hoop, maar een tastbare mogelijkheid is die geworteld is in de menselijke biologie.