Dutch language English language

Voorproefjes - Cellen aansturen via de achterdeur (in het boekje 'Waar wij trots op zijn - ontdekkingen van het jaar 2009', Faculteit Wiskunde & Natuurwetenschappen)

 

Laura Heitman ontdekte een nieuwe manier om bepaalde recepto­ren in de celmembraan te beïnvloeden. Dat biedt zicht op nieuwe medicijnen die veel patiëntvriendelijker zijn.

“Receptoren zijn eigenlijk wonderlijke dingen,” vertelt post-doc Laura Heitman. Het zijn eiwitten die op een membraan zitten, bijvoorbeeld van een cel of een celkern, en die signalen kunnen doorgeven van de ene kant naar de andere kant. Dat doen ze als ze worden geactiveerd door een specifiek molecuul dat precies op die receptor past, als een sleutel in een slot. Hoe zo’n molecuul de receptor precies activeert en wat er dan vervolgens op moleculair niveau gebeurt, dat is nog lang niet bekend. We weten alleen dat er na die activatie een hele cascade van reacties optreedt in de cel. Die gaat bijvoorbeeld een bepaald hormoon produceren, of zichzelf in tweeën delen.

“Er zijn verschillende soorten receptoren,” legt Heitman uit. “Je hebt bijvoorbeeld kanaalgebonden receptoren, die bepalen of een stof wel of niet een kanaal in het celmembraan kan passeren. En je hebt G-eiwitgekoppelde receptoren. Die steken zelf door het membraan heen en activeren een zogenaamd G-eiwit in de cel, dat op zijn beurt een keten aan celreacties op gang brengt.” Die G-eiwitgekoppelde receptoren, vertelt ze, zijn een populair aangrijpingspunt voor geneesmiddelen. Ze worden geactiveerd door grote moleculen, zoals hormonen of neurotransmitters. Daar kan de geneeskunde dus op inspelen door zulke moleculen, synthetisch dan wel natuurlijk, aan de patiënt toe te dienen. “Neem bijvoorbeeld vruchtbaarheidsbehandelingen,” zegt Heitman. “Bij sommige patiënten werken bepaalde stappen in de hormoonhuishouding niet goed. Dan kun je toch de gewenste reacties in het lichaam op gang brengen door bepaalde hormonen als medicijn toe te dienen.”

Het probleem met zulke behandelingen, legt de post-doc uit, is dat hormonen grote moleculen zijn. Je kunt ze alleen toedienen met een injectie; zou de patiënt ze als tablet innemen, dan zouden de grote moleculen in de maag worden afgebroken. “Een tablet zou voor patiënten veel prettiger zijn,” zegt ze. “Bij IVF-behandelingen krijgen vrouwen nu bijvoorbeeld wekenlang allerlei injecties. Dat wordt al snel heel vervelend; bovendien geven die hormonen vaak bijwerkingen zoals misselijkheid en hoofdpijn.”

Wetenschappers zouden daarom graag een manier ontwikkelen om G-eiwitgekoppelde receptoren te kunnen activeren – of juist remmen – met een molecuul dat een stuk kleiner is, en dus oraal kan worden toegediend, en dat niet de nare bijwerkingen van hormonen geeft. “Maar het lichaamseigen hormoon grijpt aan op een heel specifieke plek van de receptor,” zegt Heitman. “Een klein molecuul kan zich nooit op diezelfde plek binden.” Sinds een jaar of tien is echter bekend dat veel receptoren meerdere bindingsplaatsen hebben. Er is een ‘hoofdbindingsplaats’, die orthosteer wordt genoemd, en een of meerdere ‘nevenbindingsplaatsen’: de allostere bindingsplaatsen. Hecht een molecuul zich aan zo’n allostere bindingsplaats, dan beïnvloedt dat het effect van het hormoon op de orthostere bindingsplaats. “Zulke moleculen remmen of stimuleren dus niet zelf de receptor, maar maken die gevoeliger of juist minder gevoelig voor het effect van het lichaamseigen hormoon,” vat Heitman samen. Deze zogenaamde allostere modulatie kan het toedienen van hormonen overbodig maken: de kleine moleculen sturen simpelweg de werking van de lichaamseigen hormonen. “Het is een soort finetuning,” aldus Heitman. “Ons onderzoek bestond uit de zoektocht naar kleine moleculen die het juiste effect kunnen veroorzaken.”

Ze noemt weer het voorbeeld van de vruchtbaarheidsbehandeling. Als een vrouw IVF ondergaat, wordt haar eigen hormooncyclus eerst helemaal platgelegd, en vervolgens flink opgepept, zodat haar eierstokken in één keer een aantal eicellen laten rijpen. “Beide stappen gebeuren door het toedienen van hormonen die aangrijpen op receptoren,” vertelt Heitman. “In dit geval zijn dat de GnRH-receptor en de LH-receptor. GnRH is het hormoon dat de productie van LH in gang zet; LH stimuleert de rijping van eicellen. Ik ben op zoek gegaan naar mogelijkheden voor allostere modulatie van die twee receptoren.”

Dat was baanbrekend onderzoek: er waren nog geen voorbeelden bekend van allostere modulatie van G-eiwitgekoppelde receptoren. “Er zijn talloze mogelijke toepassingen,” zegt ze, “niet alleen in het vruchtbaarheidsonderzoek, maar ook bijvoorbeeld in de behandeling van kanker.”

Heitmans onderzoek bestond uit een aantal stappen. Eerst keek ze of bepaalde kleine moleculen waarvan bekend is dat ze receptoren kunnen beïnvloeden via allostere modulatie, dat ook deden bij de GnRH-receptor en de LH-receptor. “Dat was het geval,” zei ze. “Maar deze bekende moleculen werken niet heel specifiek. Daardoor zijn ze ongeschikt als geneesmiddel. Maar het proof of principle was in elk geval geleverd: deze receptoren zijn allosteer te moduleren.”

Vervolgens begon de zoektocht naar geschikte kleine moleculen die wel specifiek de werking van de beide receptoren konden moduleren. Daarvoor werkte ze samen met een groot farmaceutisch bedrijf, dat de faciliteiten heeft om in één keer miljoenen stoffen te screenen op bepaalde eigenschappen. “Daar rolde een aantal kandidaatmoleculen uit die aan een van de twee receptoren binden,” vertelt Heitman. “Maar vervolgens moet je die kandidaten natuurlijk heel nauwkeurig onder de loep nemen.” Daarbij keken ze bijvoorbeeld waar de moleculen aan de receptor binden, hoe de activatie precies plaatsvindt en welke signaalmoleculen daarbij betrokken zijn.

Hoe onderzoek je dat soort processen op moleculair niveau? Je kunt ze immers niet onder een microscoop volgen. “Het is inderdaad vrij abstract,” lacht Heitman. “We doen dat onder meer door bindingsproeven. Je kunt de moleculen radioactief labelen voordat je ze in contact brengt met membranen waar receptoren op zitten. Als je de niet-gebonden moleculen vervolgens wegspoelt, is de hoeveelheid overgebleven radioactiviteit een maat voor de hoeveelheid moleculen die zich blijkbaar aan de receptoren hebben gehecht.”

Heitman onderzocht bij levende cellen welke moleculen de receptor daadwerkelijk kunnen activeren. “Die cellen waren genetisch zodanig gemodificeerd dat ze het enzym luciferase maken zodra de cel actief is,” legt de onderzoekster uit. “Luciferase zet de stof luciferine om, en daarbij komt licht vrij. De activatie van de receptor is dus te berekenen aan de hand van de hoeveelheid licht.”

Deze opeenvolgende stappen leverden voor elk van de twee receptoren twee klassen van organische moleculen op die het juiste effect leken te hebben: een groep stimulatoren en een groep remmers. Heitman: “Vervolgens moet je natuurlijk controleren of die moleculen wel het juiste effect hebben op de werking van het hormoon. Voor de remmers was dat het geval, voor de stimulatoren helaas niet. Maar we weten nu in elk geval dat deze stoffen binden aan de receptor. Dat is een goede basis voor verder onderzoek. Binnen die klassen kunnen we bijvoorbeeld verder zoeken, of we kunnen kijken of je die moleculen synthetisch op een net iets andere manier kunt maken, zodat ze wel het juiste effect hebben.”

Een klinische toepassing is nog lang niet in zicht, benadrukt Heitman: “Zodra je een molecuul vindt met precies de goede werking, dan moet je onder meer onderzoeken of zo’n stof niet giftig is, en wat precies het effect is in levende cellen, in proefdieren en uiteindelijk in mensen. Daar gaan jaren overheen.” Maar je moet ergens beginnen, vindt ze. Leiden werkt aan de belangrijke beginstappen in dat proces, en heeft inmiddels een internationale reputatie opgebouwd op het gebied van kleine moleculen die hormoonreceptoren kunnen beïnvloeden. In haar huidige onderzoek als post-doc kijkt Heitman niet langer naar allostere modulatie, maar naar de precieze bindingsmechanismen tussen molecuul en receptor. “Het begrijpen van die binding is een heel belangrijk puzzelstukje in de zoektocht naar dit soort geneesmiddelen. Kennis van één voorbeeld, zoals de receptoren in mijn promotieonderzoek, opent weer deuren voor heel andere toepassingen.”

Wat ze het meest boeiend aan haar onderzoek vindt? “Dat zo’n piepklein molecuul, dat ongeveer honderdmaal kleiner is dan de receptor, toch zo’n grote invloed kan hebben,” antwoordt Heitman, “en dat het vervolgens een groot fysiologisch effect kan hebben. Maar hoe dat precies werkt... Er is nog een oneindige hoeveelheid vragen te beantwoorden. Dat vind ik mateloos fascinerend.”


< Terug naar de voorproefjes
Copyright © 2010 - Alle rechten voorbehouden - Webdesign Laurens Mast Freelance Webdesign