Basale en luminale cellen: het bal van de transformisten

Sinds 2006 munt de ploeg van prof. Cédric Blanpain (ULB) uit in onderzoek naar stamcellen en kanker. Ze hebben belangrijke ontdekkingen gedaan, die werden bekroond met publicaties in de beste internationale wetenschappelijke tijdschriften waaronder Nature. Dat was opnieuw het geval op 26 augustus 2020 met de publicatie van een artikel met als titel Heterotypic cell-cell communication regulates glandular stem cell multipotency (1) met als eerste auteurs Alessia Centonze en Shuheng Lin. Het artikel stond op de voorpagina van het beroemde Britse tijdschrift. De vorsers hebben de identiteit van de stamcellen in de borstklier en de prostaat en de onderlinge interacties onderzocht. Klierepitheel bestaat uit basale en luminale cellen, vooral in de borstklier en de prostaat. Die twee weefsels vertonen nogal wat gelijkenissen. Ze bestaan beide uit 'buisjes', waarvan de buitenkant bestaat uit basale cellen en de binnenkant uit luminale cellen, die receptoren voor bepaalde hormonen tot expressie brengen. "Op grond van experimenten van celtransplantatie bij immunodeficiënte muizen wordt algemeen aangenomen dat de borstklier en de prostaat multipotente basale stamcellen bevatten die aan de top staan van de cellulaire hiërarchie en die basale en luminale cellen kunnen voortbrengen en dat de luminale cellen enkel progenitorcellen met een beperkte levensduur omvatten", zegt Cédric Blanpain. Al die bevindingen werden gedaan tijdens transplantatie-experimenten. In 2011 heeft de groep van Cédric Blanpain als eerste een techniek ontwikkeld waarmee de vraag anders kan worden benaderd. De methode werd ontwikkeld in modellen van transgene muizen. Door markering met fluorescerende eiwitten kan de evolutie van afzonderlijke cellen in kaart worden gebracht. Datzelfde jaar nog hebben de vorsers van de ULB de techniek toegepast op puberale en volwassen muizen, waarbij ze de basale cellen van de borstklier hebben gemarkeerd. Die studie heeft het bovenvermelde dogma onderuitgehaald en werd dan ook terecht gepubliceerd in Nature. Tegen alle verwachtingen in bleken de basale cellen van de borstklier immers enkel basale cellen voort te brengen. De groep van professor Blanpain heeft dan een nieuwe lijn muizen onderzocht om de luminale cellen te traceren. En wat hebben de wetenschappers vastgesteld? In tegenstelling tot wat algemeen werd gedacht, verdwenen de luminale cellen niet over verloop van tijd en brachten ze enkel luminale cellen voort. "Met andere woorden, in fysiologische omstandigheden leven basale en luminale cellen onafhankelijk van elkaar tijdens de postnatale ontwikkeling en bij volwassen dieren", preciseert de directeur van het laboratorium voor stamcellen en kanker (faculteit geneeskunde van de ULB). In diezelfde studie heeft de groep van Cédric Blanpain aangetoond dat de basale cellen in de borstklier die in fysiologische omstandigheden unipotent zijn, na transplantatie weer multipotent kunnen worden. In 2015 is de Brusselse groep tot de conclusie gekomen dat de expressie van oncogenen eenzelfde verschijnsel veroorzaakt, wat strookte met de bevindingen bij onderzoek van de prostaat van de groep van Li Xin, op dat moment vorser aan het Baylor College in Houston en nu werkzaam aan de University of Washington in Seattle. In dat klierepitheel wordt bij transplantatie of activering van oncogenen dus geen beroep gedaan op de activiteit van een zeldzame populatie van multipotente stamcellen op zich, zoals vroeger werd gedacht, maar op unipotente cellen, die weer multipotent worden. In een andere studie, die werd gepubliceerd als coverartikel in Nature Cell Biology in 2018, hebben Cédric Blanpain en zijn team aangetoond dat de basale stamcellen tijdens de embryonale ontwikkeling van de borstklier multipotent zijn, maar die eigenschap verliezen op de dag dat de muizen ter wereld worden gebracht, terwijl de borstklier zeer rudimentair blijft. Een jaar later is de groep van professor Blanpain bij onderzoek van de prostaat tot soortgelijke conclusies gekomen, maar in de prostaat vindt de overschakeling van multipotentie naar unipotentie plaats op de vijftiende dag na de geboorte van de jongen. In de borstklier en de prostaat blijven de unipotente cellen bij pasgeboren jongen en op volwassen leeftijd unipotent in fysiologische omstandigheden. Maar na transplantatie of activering door oncogenen met verkankering als gevolg, worden de cellen weer multipotent. De vorsers zijn zich dan gaan afvragen welke cellulaire en moleculaire mechanismen de multipotentie van de basale stamcellen in fysiologische omstandigheden fnuiken en via welke mechanismen de cellen na transplantatie of oncogene activering weer multipotent worden. "Wij denken dat de luminale cellen in fysiologische omstandigheden de basale cellen inlichten dat zij op zichzelf hun eigen cellijn weer kunnen 'bevolken'", legt Cédric Blanpain uit. Om die hypothese te toetsen, heeft zijn groep een nieuw genetisch systeem ontwikkeld om de basale cellen te markeren en de luminale cellen te vernietigen. Een eerste vaststelling na die operatie: in het onderzochte klierepitheel, namelijk de borstklier, de prostaat, de speekselklieren en de zweetklieren, werden de basale cellen weer multipotent zowel in vivo (bij muizen) als in vitro in organoïden zodra de luminale cellen werden vernietigd. Met andere woorden, de basale cellen bleken dan in staat te zijn luminale cellen voort te brengen en zo het weefsel te herstellen. Tweede vaststelling: na vernietiging van de luminale celen van de borstklier nemen de basale stamcellen een hybride toestand aan, waarbij ze hun basale identiteit gedeeltelijk verliezen en kenmerken van luminale cellen verwerven. Op het einde van dat dynamische proces genereren ze luminale cellen. "Dat doet denken aan het genetische programma dat de multipotentie regelt tijdens de embryonale ontwikkeling", merkt Alessia Centonze op. "Door sequencing van het RNA van individuele cellen hebben we in samenwerking met professor Thierry Voet van de KULeuven de moleculaire identiteit van de zo geproduceerde cellen kunnen vaststellen. Het betreft nu eens luminale cellen met receptoren voor oestrogenen en dan weer luminale cellen zonder oestrogeenreceptoren", zegt Cédric Blanpain. Dan nog de hamvraag: "Welke moleculaire signalen sturen de luminale cellen naar de basale cellen om ervoor te zorgen dat de basale cellen in normale fysiologische omstandigheden unipotent blijven? En welke signalen kunnen de cellen weer multipotent maken na transplantatie of activering door oncogenen?" Door middel van sequencing van individuele cellen hebben de vorsers geprobeerd via een computerprogramma alle ligand-receptorkoppels die zouden kunnen meespelen bij de communicatie tussen de basale en de luminale cellen, te identificeren. Ze hebben dan een rist ligand- receptorkoppels getest en ontdekt dat TNF-alfa, dat door de luminale cellen wordt afgescheiden, de basale cellen het signaal geeft dat ze unipotent moeten blijven. "Na blokkering van de werking van TNF-alfa werden de basale cellen in de borstklier weer multipotent. En na toediening van TNF-alfa en ablatie van de luminale cellen bleven de basale cellen unipotent", zegt professor Blanpain. Omgekeerd heeft de groep aangetoond dat de notch-, Wnt- en EGFR-signalisatiewegen in de basale stamcellen geactiveerd worden na ablatie van de luminale cellen, waardoor die basale cellen weer gemakkelijker multipotent kunnen worden. "Bij blokkering van die individuele signalisatiewegen blijven de basale cellen unipotent", zegt Cédric Blanpain nog. Zullen die fundamentele onderzoeken uitmonden in therapeutische opties bij de behandeling van borst- en prostaatkanker? Laten we het hopen, maar voor het zover is, moet nog een lange weg worden afgelegd. Activering door oncogenen wekt multipotentie op en multipotentie gaat de ontwikkeling van kanker vooraf. "Zouden we de ontwikkeling van kanker kunnen voorkomen door multipotentie te verhinderen tijdens de eerste fasen van het kankerproces? Die hypothese moeten we nu uittesten", aldus de directeur van het laboratorium voor stamcellen en kanker. Een postdoctorandus van zijn team onderzoekt momenteel hoe oncogenen multipotentie opwekken, met in het achterhoofd uiteraard de vraag: "Kan de vorming van kankercellen worden verhinderd door remming van de door oncogenen opgewekte multipotentie?" We kennen al stoffen die de notch-, Wnt- en EGFR-signalisatiewegen blokkeren. Sommige van die stoffen worden zelfs al uitgetest in klinische studies bij verschillende soorten kanker. Stimulering van TNF-alfa zou ook een spoor kunnen zijn om het kankerproces in de kiem te smoren. Het is overigens niet uitgesloten dat een verandering van cellulaire identiteit zoals is waargenomen in klierepitheel, een belangrijke rol speelt bij de pathogenese van kanker. En het zou ook best kunnen dat de communicatie tussen cellen de cellulaire identiteit in de weefsels controleert. Hoe dan ook, de resultaten van de studie die op 26 augustus werd gepubliceerd in Nature, leveren een sterke bijdrage tot het ontrafelen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan het ontstaan van bepaalde kankers. 1. Alessia Centonze, Shuheng Lin et al., Heterotypic cell-cell communication regulates glandular stem cell multipotency, Nature 2020 Aug;584(7822):608-613. doi: 10.1038/s41586-020-2632-y. Epub 2020 Aug 26.