Optogenetische studie van het nociceptor neuron ASH in Caenorhabditis elegans
Het bestuderen van een zenuwcel met licht.
Jan WATTEYNE
Promotor: Prof. Dr. L. Schoofs
Co-promotor: Prof. Dr. Ir. S. Husson
Ons lichaam ontvangt voortdurend prikkels uit onze omgeving. Zo weet je na het horen van een belsignaal dat je zonet een nieuw berichtje ontvangen hebt en voel je reeds bij de eerste slok dat je soep nog net iets te warm is om er echt van te genieten. Eén van de belangrijkste prikkels in ons leven is inderdaad pijn. Pijn verwittigt ons lichaam wanneer we aan potentieel gevaarlijke stimuli worden blootgesteld en stelt ons zo meestal in staat om ons op tijd aan deze stimuli te onttrekken. Pijn heeft dan ook een beschermende functie en is hierdoor voor het overlevingsproces van vitaal belang. In een proces dat men nociceptie noemt, worden de pijnlijke stimuli net als andere prikkels door gespecialiseerde zenuwcellen opgevangen. Doorgaans sturen deze cellen elektrische signalen naar de hersenen, de plaats waar de uiteindelijke informatieverwerking plaatsvindt en waar ook een gepaste respons wordt gecoördineerd. Doordat ons zenuwstelsel uit miljarden neuronen bestaat en deze tot op de milliseconde nauwkeurig worden geactiveerd en gedeactiveerd, is het onderzoek naar de verwerking van deze omgevingsprikkels bij de mens verschrikkelijk moeilijk. Caenorhabditis elegans, een minuscuul wormpje van amper 1 millimeter lang, heeft daarentegen slechts 302 zenuwcellen. Bovendien lijken de biochemische processen voor neuronale communicatie verrassend veel op deze in ons eigen zenuwstelsel. De worm is hierdoor uiterst geschikt om de fundamentele mechanismen van communicatie tussen zenuwcellen te achterhalen.
Met de revolutionaire optogenetica onderzoekstechniek kan men de activiteit van individuele zenuwcellen wijzigen met behulp van een lichtflits van een specifieke kleur. Lichtgevoelige eiwitten afkomstig uit bepaalde microbiële organismen worden hiervoor in specifieke zenuwcellen geïntroduceerd. Aangezien deze eiwitten de elektrische eigenschappen van het celmembraan weten te beïnvloeden, kunnen ze de vorming van de elektrische signalen voor neuronale communicatie stimuleren of belemmeren. Ze doen met andere woorden dienst als schakelaars waardoor de gastheercel op gezette tijden met blauw of geel licht aan of uit kan worden gezet. Het voordeel hiervan is dat men zeer specifiek zenuwcellen kan besturen, en dit zonder daarbij omliggende neuronen te beïnvloeden. Door via deze methode de hersenactiviteit op een kunstmatige manier te veranderen, is het mogelijk het locomotorisch gedrag van wormen te sturen.
De worm bezit enkele gespecialiseerde sensorische neuronen die het inwerken van fysische krachten of de blootstelling aan giftige stoffen waarnemen. Eén van deze nociceptoren is het ASH neuronenpaar dat in staat is om bovenstaande gevaarlijke stimuli bij de neus te detecteren. Eenmaal geactiveerd zullen deze zenuwcellen het dier snel en robuust laten omkeren, een gedrag dat sterk verwant is met onze waarneming van pijnlijke prikkels. Door na het introduceren van een optogenetisch eiwit deze cel met een lichtflits te stimuleren, wordt de natuurlijke ASH-bemiddelde terugtrekkingsreflex nagebootst. Via automatische videoanalyse werd dit gedrag dan ook zeer nauwkeurig opgevolgd. Wanneer essentiële cellulaire factoren voor deze respons echter gedeeltelijk worden geïnactiveerd, zijn wormen veel minder in staat zich na belichting terug te trekken. Dit gebeurde doormiddel van RNA interferentie, een experimenteel proces waarbij de cel-eigen machinerie voor genregulatie wordt aangesproken zodat de activiteit van bepaalde genen wordt geremd. Genen zijn kleine stukjes DNA waarin de informatie vervat zit om één of meerdere eiwitten op te bouwen. Via deze strategie konden we bijgevolg nagaan welke eiwitten belangrijk zijn bij het uitvoeren van de terugtrekkingsreflex. Zo werd de invloed van verscheidene eiwitten uit enkele modulerende signaleringssystemen onderzocht. Voedselbeschikbaarheid is bij de worm namelijk een uiterst belangrijke omgevingsfactor die op de meeste gedragsvormen een invloed uitoefent. De worm gaat bijvoorbeeld actief op zoek naar voedsel wanneer deze uitgehongerd is. Belangrijk in het licht van dit onderzoek is dat bepaalde moleculen die de aanwezigheid van voedsel seinen, de activiteit van het ASH neuronenpaar versterken door er rechtstreeks op in te werken. Hierdoor is de terugtrekkingsrespons bij het inwerken van gevaarlijke stimuli op neus groter wanneer de worm zich op voedsel bevindt. Het opkrikken van de nociceptor-activiteit onder specifieke omstandigheden blijkt een fundamentele eigenschap van dit celtype te zijn. Zo zorgt de verhoogde pijngevoeligheid van de huid rondom een wonde bijvoorbeeld dat wij het getroffen lichaamsdeel liever niet gebruiken, waardoor het letsel sneller kan genezen. Aangezien de onderliggende mechanismen van nociceptie oeroud zijn, en dus over wormen en mensen heen evolutionair geconserveerd zijn, kunnen we via deze strategie essentiële factoren betrokken bij pijnperceptie bij de mens identificeren. Op deze manier kunnen op termijn nieuw ontdekte eiwitten die een functie binnen de nociceptieve respons bekleden als doelwit dienen voor de ontwikkeling van nieuwe pijnstillende geneesmiddelen.
