In den beginne was er … het embryo

In den beginne was er … het embryo.
Koen Devriendt
Centrum Menselijke Erfelijkheid
De studie van de embryologie heeft een enorme transformatie ondergaan. Initieel was de embryologie
vooral een beschrijvende wetenschap met als doel gedetailleerd de vormveranderingen tijdens de
ontwikkeling van het embryo en de foetus te beschrijven. Later, dankzij de ontwikkelingen in de
genetica kon men de onderliggende sturende krachten van deze ontwikkeling beter begrijpen en dit
heeft ondermeer geleid tot belangrijke toepassingen in de (prenatale) diagnostiek van aangeboren
afwijkingen. De meest recente ontwikkelingen beloven toepassingen in andere domeinen van de
geneeskunde, voornamelijk de oncologie en het stamcelonderzoek.
De basis van alle wetenschap is een nauwkeurige observatie en beschrijving, in dit geval van het
embryo. De plaats van de embryologie in de geneeskunde was dan ook in belangrijke mate een
“hulp”wetenschap, om de normale en afwijkende anatomie beter te kunnen begrijpen. Iedereen
herinnert zich nog de beschrijving van de ingewikkelde rotatie die de darmen ondergaan of de
kromming van het hart. Deze beschrijvende aspecten van de embryologie zijn weinig veranderd over
de afgelopen 100 jaar. Hoewel er af en toe nog verrassingen zijn zoals de recente ontdekking van een
tweede, functionele thymus in de hals, althans bij muizen.
Hoe worden de processen in de embryogenese geregeld en bestuurd?
Van in de oudheid
overheerste de preformatie theorie : alles zit reeds in een zaadcel, en bij de bevruchting zal de eicel
enkel de nodige voedingsstoffen leveren om hieruit een kind te laten groeien. De huidige,
epigenetische theorie stelt dat bij de bevruchting een proces in gang gezet wordt, waardoor de
verschillende delen van het embryo geleidelijk wordt opgebouwd. Alle informatie zit reeds in de
bevruchte eicel, niet in miniatuurvorm zoals in de preformatie theorie, maar wel onder de vorm van
een genetisch programma. In toenemende mate krijgt men inzicht in de genen die processen zoals
celdeling, celmigratie, apoptose en differentiatie reguleren. Moeilijker is de vraag hoe een cel precies
weet wat zij moet doen, met andere woorden, welke signalen bepalen welke genen tot expressie
komen op de correcte plaats op het juiste tijdstip. Dit is essentieel zodat de verschillende organen en
weefsels in hun juiste verhoudingen gevormd worden. Dit kan enkel als cellen met elkaar
communiceren, en hierbij speelt de morfogenetische gradiënt een belangrijke rol. Cellen produceren
signaalmoleculen die zich in een gradiënt verspreiden in de omgeving. Dit signaal wordt herkend door
andere cellen, en dit leidt tot een verschillende differentiatie in functie van de concentratie. Een
voorbeeld is de vorming van de hand, waarbij een polariserende zone aan de pink zijde van de hand
een signaalstof secreteert, Sonic Hedgehog, die diffundeert naar de anterieure zijde. Op die manier
ontstaat het onderscheid tussen de pink van een duim.
1
De vergelijkende embryologie toonde aan dat er een grote overeenkomst bestaat in de
embryogenese van de mens en andere diersoorten. In veel tussenstadia is een menselijk embryo
nauwelijks te onderscheiden van de meeste andere gewervelde diersoorten. Dit verklaart waarom
men identiteit van een 570 miljoen jaar oud fossiel embryo tijdens de klievingsdelingen niet meer kan
achterhalen. Maar ook in latere stadia zijn de gelijkenissen zeer opvallend. Gaandeweg treden er toch
verschillen op. Tijdens de evolutie zijn bestaande structuren verdwenen, en aangewend voor nieuwe
structuren. Zo zijn de speekselklier bij zoogdieren en de gifklier bij de slangen verwante structuren. De
kieuwen die we bij vissen aantreffen zijn niet meer nodig voor dieren die op het land leven en longen
hebben om zuurstof uit de lucht te halen. De aanleg van kieuwen krijgt een nieuwe bestemming en
wordt aangewend om belangrijke nieuwe organen in de hals te vormen, zoals de kaken en het
strottenhoofd. Deze gelijkenissen illustreren de gemeenschappelijke oorsprong van alle leven op
aarde, waarbij in de evolutie bepaalde genfuncties en pathways geconserveerd worden. Omwille van
die redenen is het experimenteel onderzoek in allerlei proefdieren zo relevant voor de mens.
Bijvoorbeeld, het PAX6 gen speelt een sleutelrol in de oogontwikkeling, zowel bij de mens als bij
Drosophila. Een andere, even opzienbarende ontdekking betreft de segmentatie van het lichaam. Een
bijzondere groep mutaties bij Drosophila, homeotische mutaties, veranderen de identiteit van een
bepaald segment in deze van een ander segment. Hierdoor ontstaan in plaats van een paar antennes
een paar extra poten, of in plaats van de halters een paar extra vleugels. Onderzoek toonde aan dat
de identiteit van de verschillende segmenten bij Drosophila gereguleerd wordt door een reeks genen
die samen in een cluster liggen en er een colineariteit is tussen de ligging van een gen in deze cluster
en het segment dat het bepaalt. Deze HOX-genen blijken in de evolutie zeer sterk geconserveerd te
zijn en mee aan de basis te liggen van de segmentatie van zoogdieren zoals de mens. Gedurende de
evolutie is deze cluster wel twee maal gedupliceerd, waardoor meer complexe organismes konden
evolueren. Mutaties in HOXD13 veroorzaken afwijkingen aan de handen, waarbij de identiteit van de
vingerkoortjes verandert in deze van carpale beentjes.
Inzichten in de embryologische ontwikkeling zijn een belangrijke hulp in de studie van de normale
morfologie maar laten bovendien toe het ontstaan van vele aangeboren afwijkingen beter te
begrijpen en de risico’s hierop te voorspellen bij volgende zwangerschappen. Ons leven als embryo is
uitermate gevoelig aan alle mogelijke fouten in het genetische programma dat de ontwikkeling stuurt,
maar ook aan schadelijke, teratogene invloeden vanuit de omgeving. Het is dan ook niet te
verwonderen dat méér dan de helft van alle embryo’s de eindstreep niet haalt. De 3% kinderen die
met een aangeboren afwijking geboren worden zijn dan ook het topje van een ijsberg. Er zijn talrijke
voorbeelden van abnormale embryologische ontwikkeling, die morfologisch gemakkelijk te begrijpen
zijn vanuit onze kennis van de normale embryogenese. Als embryo hebben we allemaal vliezen
tussen de vingers en tenen en wanneer deze niet verdwijnen door geprogrammeerde celdood uit zich
dit als syndactylie. Migrerende neurale lijstcellen kunnen verkeerd terecht komen en resulteren in
pigmentstoornissen of de ziekte van Hirschsprung. De darmen bevinden zich bij elk embryo tijdelijk in
de navelstreng, buiten het lichaam. Wanneer dit blijvend is ontstaat een omfalocoele.
2
De recente ontwikkelingen in de genetica hebben geleid tot de identificatie van veel genen en
genetische pathways betrokken in de embryogenese. Voor een toenemend aantal genetische
aangeboren aandoeningen kan men vandaag de dag de oorzakelijke mutaties opsporen. Dit heeft een
grote impact gehad op de prenatale diagnostiek. In de praktijk is het optreden van een erfelijke
aangeboren afwijking slechts uitzonderlijk vooraf te voorspellen, meestal in situaties waarin de
aandoening in de familie voorkomt, en er dus een verhoogd risico is. Traditioneel vormt dit dan ook
een belangrijke indicatie voor genetische counseling, waarbij in een aantal situaties er de mogelijkheid
bestaat van prenataal onderzoek. Men moet echter rekening houden met een aantal belangrijke
beperkingen. Gericht prenataal onderzoek is enkel mogelijk wanneer de oorzakelijke genetische fout
gekend is - er blijven nog vele aandoeningen waarvoor het oorzakelijke gen niet gekend is. Maar ook
indien genetisch onderzoek mogelijk is blijft het essentieel om in elke familie afzonderlijk, voor de
zwangerschap, de oorzakelijke mutaties op te sporen. Zeker voor zeldzamere aandoeningen is DNA
onderzoek complex en tijdrovend en prenatale diagnostiek moet daarom voor de zwangerschap
voorbereid worden.
Sinds een aantal jaren is de techniek enorm geëvolueerd. De screening van elke vrucht, embryo of
foetus, ongeacht de familiale geschiedenis, behoort tot de mogelijkheden. De snelheid en
gevoeligheid van het DNA onderzoek is dermate groot dat men op één enkele cel onderzoek kan
uitvoeren. Dit heeft de weg geopend naar preïmplantatie diagnostiek, in aansluiting met in vitro
fertilisatie. Bovendien is de resolutie enorm toegenomen dankzij de ontwikkeling van de array- of
microrooster technologie. Zo kan men nu een “chromosomen”onderzoek uitvoeren waarbij afwijkingen
van een paar 100.000 baseparen groot kunnen gedetecteerd worden. In vergelijking met het
chromosomenonderzoek betekent dit een toename in resolutie van ongeveer 50 maal. Bovendien kan
men tegelijkertijd, met een ander type microrooster, 100.000-den gekende variaties in de
samenstelling van het DNA onderzoeken. Momenteel wordt de technologie ontwikkeld waarbij het
(economisch) haalbaar wordt om het volledige genoom van elk van ons te sequeneren. Het beeld van
doorgedreven prenatale genetische selectie lijkt zo weer een stap dichter bij te komen. Maar we
worden geconfronteerd een nieuwe grens : wat is normaal en wat is een afwijking? Het DNA van twee
personen verschilt in minstens 1 nucleotide op 1000. Daarenboven heeft recent onderzoek
aangetoond dat grote DNA fragmenten, soms meerdere 100.000-den baseparen groot, in een
wisselend aantal kopies kunnen voorkomen, zonder dat dit gepaard gaat met afwijkingen. Het geheel
van deze variaties is verantwoordelijk voor de belangrijke interindividuele verschillen, met zowel zijn
goede als minder goede kanten. De vraag wat normaal is en wat niet, en waar we de grens leggen
wordt meer dan ooit gesteld, en dit zal een belangrijke beperking betekenen voor dergelijk
doorgedreven prenataal screening onderzoek.
Naast toepassingen in de diagnostiek is de verworven kennis van de embryologische processen
toepasbaar in andere domeinen van de geneeskunde. Een kankercel vertoont alle kenmerken van
een verstoorde ontwikkeling, zoals een ongecontroleerde celdeling, de afwezigheid van
celdifferentiatie en de neiging om te metastaseren. De genen die hierin betrokken zijn hebben meestal
ook een rol in de normale ontwikkeling van het embryo, die ook berust op celdeling, differentiatie en
3
migratie. De kennis van deze genen leidt zo tot een beter begrip, diagnosestelling en opent nieuwe
mogelijkheden voor de behandeling van kanker bij de mens. Sonic hedgehog is een signaalmolecule,
dat tussenkomt in de vorming van verschillende organen. Dit signaal wordt door de cel herkend, en via
een cascade vertaald in de expressie van andere genen. Mutaties in deze cascade kunnen
verschillende effecten hebben, afhankelijk of de mutaties resulteren in een toename dan wel afname
in activiteit van het signaal. Een verminderd signaal tijdens de ontwikkeling resulteert in
holoprosencefalie, een van de meest frequente aangeboren afwijkingen van het centraal
zenuwstelsel. Wanneer deze cascade echter te veel functioneert, in huidcellen, resulteert dit in een
tumor, basaal cel carcinoma. BCC worden actueel vooral chirurgisch behandeld, maar nieuwe
inzichten in de ontstaansmechanismen openen de weg voor een eventuele medicamenteuze therapie.
In de jaren ‘60 observeerde men dat zwangere schapen die van een bepaalde lelie aten (Veratrum
californicum) een zeer hoog aantal misvormde lammetjes kregen met holoprosencefalie. Het
verantwoordelijke bestanddeel werd geïsoleerd en “cyclopamine” genoemd. Cyclopamine heeft een
inhiberend effect op de Shh-pathway, en blootstelling prenataal leidt tot een verminderde Shh signaaltransductie, en zo tot holoprosencefalie. Cyclopamine wordt nu onderzocht op zijn werking in BCC : in
vitro, toegevoegd aan een model voor BCC leidt dit tot een stop in de groei van deze cellen.
Een tweede belangrijke toepassing is het domein van de stamcellen. Volwaardige cellen en weefsels
zullen ooit in vitro aangemaakt kunnen worden voor transplantatie doeleinden. Om dit tot een goed
einde te brengen zal het essentieel zijn om alle processen die aan de basis liggen van de normale
ontwikkeling van deze cellen en organen ten volle begrijpen. Maar anderzijds betekent het
stamcelonderzoek een nieuwe impuls voor het onderzoek van de embryogenese.
4