Leuvense onderzoekers zorgen voor een wereldprimeur door de gen-activiteit van alle hersencellen van de fruitvlieg in kaart te brengen.
Een team van wetenschappers onder leiding van prof. Stein Aerts (VIB-KU Leuven) is er voor het eerst in geslaagd om het verouderingsproces van álle hersencellen individueel in kaart te brengen—niet bij de mens, maar wel bij de vlieg. Ze ontwikkelden een ‘cel atlas’ die niet alleen meer inzicht biedt in hoe het brein werkt, maar die ook als leidraad moet dienen om menselijke ziekteprocessen meer gedetailleerd in kaart te kunnen brengen.
In tijden van google maps en gps klinkt het woord ‘atlas’ misschien wat stoffig, maar de nieuwe ‘cel atlas van het vliegenbrein’ die deze week in het prestigieuze vakblad Cell gepubliceerd wordt is dat allerminst. De wetenschappers maakten gebruik van de allernieuwste technologie en zelfs artificiële intelligentie om gegevens van tientallen duizenden cellen te analyseren.
Wat kan zo’n atlas ons leren?
Om de werking van de hersenen—zelfs die van een fruitvlieg—echt te kunnen begrijpen moeten we inzoomen op individuele cellen, legt prof. Stein Aerts (VIB-KU Leuven) uit: “Hoewel alle cellen in principe hetzelfde DNA bevatten, wordt niet alle genetische informatie op dezelfde manier ingezet. Dat verklaart waarom sommige cellen een rol spelen bij het geheugen, terwijl anderen bijvoorbeeld instaan voor het aansturen van de spieren. Om een zicht te krijgen op hoe alles echt in elkaar zit, moeten we niet alleen in kaart brengen wat elke cel doet, maar ook wanneer.”
Vooral dat laatste moet ons helpen om op termijn ook bij menselijke cellen nuttige informatie op te leveren. “Net als alle andere cellen in ons lichaam veranderen hersencellen gaandeweg: als hun omgeving verandert, als ze verouderen, of als we ziek worden bijvoorbeeld,” vervolgt Aerts.
Het ultieme doel is om de moleculaire status van alle cellen en weefsels van een patiënt in real time op te volgen om zo problemen vroeg te kunnen detecteren en behandelingen op maat te voorzien. “Maar om daar te geraken hebben we de technologie én de kennis nodig om de dynamiek van individuele cellen te meten en te interpreteren,” benadrukt Stein Aerts.
Beginnen met de vlieg
Een moeilijke taak, daarom begonnen de wetenschappers alvast met de fruitvlieg, een vaste waarde in het onderzoek. Fruitvliegjes kweken snel en hebben heel wat genetische gelijkenissen met gewervelde dieren zoals de mens. De onderzoekers besloten meteen het meest complexe orgaan in kaart te brengen: de hersenen. Hoewel de hersenen van de fruitvlieg beduidend kleiner zijn dan die van de mens, staan ook deze cellen in voor heel wat gelijkaardige taken.
Kristofer Davie, één van de vele onderzoekers betrokken bij het project, benadrukt het nut van de vlieg als model: “Net als in ons brein, vind je in de hersenen van de fruitvlieg honderden verschillende celtypes die samen een enorm complex netwerk vormen. In dat opzicht is het een soort van miniatuurbrein dat ons enorm veel kan leren over het onze.”
Alle cellen in kaart brengen was zelfs voor dit relatief klein stel hersenen niet eenvoudig. “Er zijn ongeveer 15.000 genen en zo’n 100.000 cellen in de hersenen van een fruitvlieg,” vervolgt Davie. “Even rekenen en je komt al snel op meer dan een miljard meetgegevens die je in kaart moet brengen en analyseren voor elk tijdstip.”
Om die gigantische hoeveelheid data de baas te kunnen schakelden de wetenschappers artificiële intelligentie in. Ze brachten meer dan 80 verschillende celtypes in kaart, onderverdeeld in nog veel meer subtypes. Die konden ze matchen met specifieke hersenfuncties, zoals bijvoorbeeld het regelen van slaap of geurherkenning.
Dankzij machine learning algoritmes slaagden de onderzoekers er ook in om de leeftijd van een cel te voorspellen. Verrassend genoeg had veroudering ook een verschillend effect naargelang het celtype.
Andere onderzoekers kunnen voortbouwen op deze resultaten. “We hebben al onze meetgegevens beschikbaar gemaakt op een zelf-ontwikkeld online platform,” zegt Aerts. “Hier kunnen ook andere onderzoekers hun meetgegevens ingeven en analyseren.”
Bestemming: betere behandelingen voor ziekten.
Het team rond Stein Aerts zijn de eersten die een volledig brein in zoveel detail in kaart kunnen brengen—een wereldprimeur dus. Toch zal het nog wel even duren voor biomedische toepassingen ontwikkeld kunnen worden.
Samenwerking is cruciaal in het nieuwe maar bruisende domein van de zogenaamde single cell biologie. Zo startte Aerts samen met een groep internationale collega’s onlangs het Fly Cell Atlas netwerk, dat naast hersencellen ook andere organen in de vlieg volledig in kaart wil brengen. Zijn labo maakt bovendien ook deel uit van een groter Europees consortium, dat onder de vlag LifeTime het pad wil effenen naar een revolutie in de gezondheidszorg door cellulaire parameters op te volgen voor de diagnose en behandeling van tal van ziektes.
Aerts twijfelt er niet aan dat single cell onderzoek nog voor veel doorbraken zal zorgen: “Het zijn enorm boeiende tijden voor het biomedisch onderzoek. Door gen activiteit op het niveau van individuele cellen te analyseren ontdekken we zo’n schat aan informatie dat we haast niet weten wat eerst te analyseren!”
