In de fabriek van de toekomst onderzoeken we menselijke hersenen aan de lopende band

Ongeveer elf jaar geleden werd er bij mijn grootmoeder de ziekte van Parkinson vastgesteld. Ik was toen veertien jaar, zat op de middelbare school, studeerde wel Latijn maar wist eigenlijk niet goed waarom. Mijn grootmoeder was toen nog dezelfde vrouw die ik sinds mijn geboorte elke dag zag. Nu, elf jaar later, is mijn grootmoeder nog steeds deze persoon, maar dan met moeilijkheden bij het stappen, spreken en bewegen, zoals typisch is voor patiënten met deze neurodegeratieve aandoening. Ikzelf ben intussen doctoraatsonderzoeker geworden met focus op celbiologie en neurowetenschappen Met de gedachte aan haar in het achterhoofd, werk ik nu mee aan het ontrafelen van het enigma dat ons brein blijkt te zijn.

Mensen zoals mijn grootmoeder en ik zijn talrijk in België. Voor ongeveer 40 000 mensen zal dit verhaal herkenbaar zijn. Tegelijk kent België een grote zogenaamde ‘life science’ industrie, met een uitgebreide gemeenschap van hersenwetenschappers die al decennia lang zoeken naar geneesmiddelen tegen neurodegeneratie¹. Al dit onderzoek ten spijt, kan mijn oma sinds haar diagnose slechts het medicijn Levodopa nemen. Dit bestrijdt helaas enkel de symptomen, een genezende behandeling is (nog) niet voorhanden. voorlopig krijgen alle mensen met een neurodegeneratieve aandoening, zoals Parkinson, dit vonnis te horen. Het mag dan ook niet verwonderen dat onze hersenen tot op vandaag een mysterieus orgaan zijn waar onderzoekers wereldwijd meer inzicht in proberen te verwerven.

Ondanks de afwezigheid van de broodnodige curatieve (genezende) medicijnen, stond de wetenschap de laatste jaren allesbehalve stil. Waar onderzoek naar hersenaandoeningen in het verleden noodgedwongen moest worden uitgevoerd op muizen, hebben we nu de mogelijkheid om menselijke hersenen (deels) na te bootsen in een petrischaal. Door menselijke stamcellen te laten ontwikkelen tot hersencellen, kunnen we nu de effecten van ziekmakende eiwitten op de individuele bouwstenen van hersenen met een menselijke genetische achtergrond bestuderen. Dit is van kapitaal belang omdat muizen minder of niet vatbaar zijn voor de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer of Parkinson.

Het vermoeden groeit dat dit aan de basis ligt van het falen van de huidige kandidaat geneesmiddelen. Het nabootsen van menselijke hersenen in het lab is om deze reden een grote stap vooruit in de zoektocht naar nieuwe curatieve geneesmiddelen. Terwijl wetenschappers over de hele wereld steeds beter worden in het ontwikkelen van deze hersencellen, focust mijn onderzoek zich het verkrijgen van een getrouwere weergave van de hersencontext. Deze stap is noodzakelijk om snel grote aantallen nieuwe behandelingen te kunnen testen.

Deze bouwstenen van onze hersenen, de hersencellen, ondergaan veranderingen wanneer we ziek zijn. Geneesmiddelen hebben als doel deze veranderingen ongedaan te maken. We kunnen het effect van een ziekte of geneesmiddel vaak weerspiegeld zien in de vorm van de cel. Amerikaanse wetenschappers hebben ontdekt dat door te kijken naar de veranderingen in de vorm van cellen, we kunnen afleiden wat er aan de hand is in het interne mechanisme. We bestuderen de vorm door gebruik te maken van stoffen die verschillende kleuren geven aan de interne onderdelen van de cel om wijzigingen in vorm en organisatie op te sporen. Specifieke veranderingen in deze kleurpatronen geven dan een indicatie van mogelijke afwijkingen ten gevolge van ziekte of behandeling.

Specifiek kleurpatroon van een hersencel.

Sinds het eerste gebruik van deze celvorm-gebaseerde techniek, is deze enkel maar krachtiger geworden. De enorme vooruitgang die gemaakt wordt in het veld van artificiële intelligentie is ook ons als biologische wetenschappers niet ontgaan. Analoog aan hoe mensen katten en honden van elkaar kunnen onderscheiden, hebben wij een computermodel geleerd verschillende soorten cellen en ontwikkelingsstadia te herkennen. Dit heeft meerdere gevolgen voor onze hersenen in de petrischaal. In mijn onderzoek zijn we er in geslaagd een computermodel voorspellingen over de identiteit en gezondheid van de cel te laten maken op basis van de vorm van onze hersencellen tijdens hun ontwikkeling in ons lab.

We hebben een methode gevonden om te controleren of AI de verschillende aanwezige celsoorten juist kon voorspellen. Een grote uitdaging hierbij was het omgaan met informatie die verborgen ligt doordat alle cellen in een weefsel met elkaar in contact staan. Concreet hebben we de computer geleerd verschillende soorten hersencellen van elkaar te onderscheiden door het te laten kijken naar een centraal punt in de celvorm en een beperkte vaste regio daarrond. Dankzij deze methode kunnen we de computer op een heel eenvoudige en snelle manier hersencellen laten herkennen. Het model zal daarbij in 96% van de getoonde vormen de correcte identiteit voorspellen².

Microscopische beelden van 3-dimensionale hersenmodellen.

Naast dat dit opnieuw een toonbeeld is van de sterkte van artificiële intelligentie, heeft het ook onmiddellijke toepassingen in de farmaceutische industrie. Door het gemak van de techniek kan het eenvoudig worden gebruikt in routine kwaliteitscontrole van complexe hersenmodellen. Bovendien kan het een eerste linie vormen voor het ontdekken van nieuwe geneesmiddelen die effect hebben op de gezondheid en functie van deze menselijke hersencellen.

Onze hersenfabrieken worden groter en beter. Niet alleen maken we sneller en meer van deze menselijke hersencellen, we komen ook steeds dichter bij de realiteit. 3-dimensionale hersenmodellen van menselijk materiaal bestaan en dragen bij aan een beter begrip van neurodegeneratieve aandoeningen. Dankzij de enorme opmars van AI, komen we dichter bij iets dat ik niet anders kan bestempelen dan massaproductie. Op de intersectie van productie en analyse van getrouwere menselijke hersenmodellen, stijgt het aantal mogelijke nieuwe kandidaat geneesmiddelen. Elk van deze vormt een nieuwe mogelijkheid, een nieuwe kans voor patiënten op genezing. Een toekomstperspectief voor 40 000 grootmoeders.

Noten

1. neurodegeneratie: Overkoepelende term voor hersenaandoeningen waarbij zenuwcellen steeds verder afsterven en hersenfuncties afnemen.

2. Unbiased identification of cell identity in dense mixed neural cultures. Sarah De Beuckeleer, Tim Van De Looverbosch, Johanna Van Den Daele, Peter Ponsaerts, Winnok H. De Vos