Nieuwe analytische techniek helpt moleculen van metabolische ziektes in weefsel te identificeren
Afbeelding van een plakje muizenbrein waarop een specifiek molecuul in kaart is gebracht
Het is onderzoekers van HFML-FELIX gelukt om met behulp van een krachtige infrarood vrije-elektronenlaser moleculen van metabolische ziektes te identificeren direct van biologisch weefsel. Deze nieuwe analystische techniek draagt bij aan het beter begrijpen van deze ziektes en kan in de toekomst zorgen voor snellere diagnoses en effectievere behandelingen.
Alle cellen in ons lichaam zijn de hele dag door bezig met stofjes maken en afbreken. Dit is onder andere nodig voor het verwerken van voedsel, het hebben van energie en om te kunnen groeien. Dit proces noemen we stofwisseling, of metabolisme. In het geval van een metabole ziekte gaat hierbij iets mis. Eén van de enzymen die nodig zijn om de ene stof om te zetten in de andere, kan door een foutje in een gen niet goed of helemaal niet worden gemaakt. Dit kan de verwerking van bepaalde stoffen door ons lichaam in de weg zitten, met als gevolg een ophoping van schadelijke stoffen, wat weer kan zorgen voor ziekteverschijnselen.
HFML-FELIX onderzoeker Jelle Schuurman heeft in zijn onderzoek gekeken naar twee metabole ziektes die ervoor zorgen dat een specifiek stofje niet goed kan worden verwerkt, namelijk het stofje lysine. De gevolgen hiervan zijn met name te zien in het brein. Daarom willen onderzoekers het liefst een zo compleet mogelijk beeld krijgen van dit proces. Welke stoffen hopen zich bijvoorbeeld op? En in het verlengde daarvan: wat zien we als we bepaalde behandelingen toepassen? Wat verandert er dan?
Niet alleen massa, ook structuur
Nou kan door laboratoria van sommige ziekenhuizen, in het geval van een complexe vloeistof zoals een bloedmonster, al behoorlijk wat worden verteld over welke moleculen daarin voorkomen. Dit doen ze onder andere met behulp van massaspectrometrie beeldvorming. Daarbij wordt de massa van de moleculen gemeten, wordt gekeken hoeveel er van die verschillende massa’s aanwezig zijn en – in het geval van een stukje weefsel – waar ze precies zitten. Het resultaat daarvan zie je in de afbeelding boven dit artikel terug. Dit vertelt je alleen nog niet alles. Twee moleculen kunnen hetzelfde wegen, maar een hele andere functie hebben. Het is daarom ook nodig om iets te zeggen over de structuur van elke molecuul. Alleen dan weet je zeker met welke je precies te maken hebt.
Om daarachter te komen heeft Schuurman gebruikgemaakt van infrarood vrije-elektronenlaser FELIX. Met deze krachtige laser is het mogelijk om de molecuul waar je meer over wilt weten te laten reageren. Moleculen hebben namelijk elk unieke frequenties waarop ze vibreren. Dit is zelfs voor verschillende onderdelen van dezelfde molecuul anders. Stuur je licht met verschillende frequenties door een molecuul, dan reageert hij bij een matchende frequentie door te vibreren. Met een hele sterke laser kun je ze zo zelfs kapot laten trillen. Door te kijken bij welke frequenties de molecuul uit elkaar valt, kan vervolgens de structuur worden bepaald.
Geheel nieuwe techniek
Dit is een mooie bestaande techniek, maar Schuurman heeft gekeken of ze hiermee nog een stapje verder konden gaan. Deze aanpak werkt namelijk heel goed voor vloeistoffen. Maar wat als je van een vaste stof wilt weten welke moleculen er in zitten en waar? Bijvoorbeeld wanneer je het brein wilt onderzoeken, zoals bij de eerder genoemde metabole ziektes. Hiervoor worden, vanzelfsprekend, geen monsters van levende patiënten gebruikt, maar van muizen met dezelfde genetische afwijking. In sommige gevallen wordt gebruik gemaakt van kunstmatig gegroeide organen met genetisch materiaal van de patiënt, of weefsel van overleden patiënten.
In dit onderzoek zijn eerst, met gebruik van een UV-laser, de moleculen in een stukje weefsel van een muis in kaart gebracht. Vervolgens is FELIX gebruikt om die moleculen te identificeren. Nergens anders ter wereld is dat op deze manier eerder gelukt, vertelt Schuurman. ‘Moleculen kunnen identificeren direct van biologisch weefsel, in lage concentraties en zonder een extractie of purificatie te moeten doen, is helemaal nieuw. We kregen het ook echt niet meteen voor elkaar, maar zijn heel enthousiast dat het ons uiteindelijk is gelukt. We krijgen veel positieve reacties van collega’s uit het onderzoeksveld.’
Behandelingen beter bestuderen
Dat dit überhaupt kan werken is dan ook de grootste ontdekking binnen zijn onderzoek, maar het levert ook nog kennis op over deze twee specifieke metabole ziektes. Uiteindelijk kan met deze techniek ook worden gekeken: wat verandert er in het brein als we verschillende behandelingen proberen? Welke moleculen vinden we dan? Want het is mogelijk om zo’n verstoord proces genetisch helemaal uit te schakelen. Dan wordt, in dit geval lysine, helemaal niet meer door het lichaam opgenomen. Maar als je zo’n aanpassing als behandeling wilt inzetten, moet je wel eerst weten of dit geen nadelige gevolgen heeft.
De directe impact van deze doorbraak ligt dus met name in het biomedisch onderzoek. Het versnelt niet alleen het fundamentele onderzoek naar ziektemechanismen, maar biedt ook een krachtig instrument voor de ontwikkeling van nieuwe diagnostische methoden en de evaluatie van behandelingen. Schuurman en zijn team zijn dan ook zeer verheugd met deze prestatie. ‘We zijn ontzettend enthousiast over de mogelijkheden die dit biedt. Dit is een essentiële stap die ons in staat stelt om ziektes beter te begrijpen, sneller te diagnosticeren en uiteindelijk effectiever te behandelen.’
De publicatie vind je hier:
Structure Elucidation for MALDI Mass Spectrometry Imaging Using Infrared Ion Spectroscopy
Onderzoekscontact: Jelle Schuurman