Onderzoekers hebben met behulp van zogenoemde ‘mini-hersenen’ nieuwe inzichten gekregen in de cellulaire mechanismen achter hersengroei bij jonge kinderen. Dit is een kenmerk dat in verband wordt gebracht met autisme. In een studie uit het laboratorium van Jason Stein, genetica-expert aan de UNC School of Medicine, is aangetoond dat twee specifieke typen hersencellen een sleutelrol spelen bij toegenomen hersengroei in de vroege ontwikkeling.
De studie, geleid door Rose Glass en Nana Matoba, maakt gebruik van geavanceerde stamceltechnologie om de vroegste stadia van menselijke hersenontwikkeling na te bootsen in het laboratorium. De resultaten zijn gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Cell Stem Cell en benadrukken het potentieel van deze aanpak voor onderzoek naar neuro-ontwikkelingsstoornissen zoals autisme.
Hersengroei als vroege biomarker
Al langer is bekend dat autisme samenhangt met verschillende risicofactoren, waaronder genetische aanleg, omgevingsinvloeden en afwijkingen in de vroege hersenontwikkeling. In recente jaren is met name versnelde hersengroei bij zuigelingen naar voren gekomen als mogelijke vroege biomarker. De vraag waarom die hersengroei optreedt, bleef echter grotendeels onbeantwoord.
Met behulp van hersenorganoïden, driedimensionale celstructuren die bepaalde kenmerken van het menselijke brein nabootsen, konden de onderzoekers deze vraag nu op celniveau onderzoeken. “Onze modellen, afgeleid van deelnemers zelf, blijken zeer geschikt om vroege hersenontwikkeling te bestuderen,” aldus Glass, inmiddels werkzaam als postdoc aan Boston Children’s Hospital/Harvard Medical School. “Dit opent de deur om ook omgevingsfactoren, zoals blootstelling aan toxines, systematisch te analyseren.”
De studie bouwt voort op data van de Infant Brain Imaging Study (IBIS), een grootschalig Amerikaans samenwerkingsverband dat al twintig jaar de hersenontwikkeling volgt van baby’s met een verhoogd familiair risico op autisme. Vanuit dit cohort werden bloedmonsters verzameld van achttien deelnemers.
Uit deze monsters werden witte bloedcellen geïsoleerd en ‘hergeprogrammeerd’ tot pluripotente stamcellen. Deze cellen kunnen zich ontwikkelen tot vrijwel elk type lichaamscel. Door ze gericht te sturen, groeiden ze uit tot hersenorganoïden die aspecten van structuur en functie van het menselijke brein weerspiegelen.
Twee celltypen
Analyse van de organoïden liet zien dat veranderingen in twee typen hersencellen sterk samenhangen met hersengrootte: neurale progenitorcellen en epitheelcellen van de choroïd plexus. Neurale progenitorcellen zijn voorlopercellen die nieuwe hersencellen, waaronder neuronen, aanmaken. De choroïd plexus speelt een ondersteunende rol en is onder meer betrokken bij de productie van hersenvocht en het ondersteunen van groei en herstelprocessen.
Opvallend was de duidelijke relatie tussen genexpressie in neurale progenitorcellen en een grotere hersenomvang. Daarmee bevestigen de onderzoekers dat hun organoïdemodel de menselijke hersenontwikkeling realistisch nabootst. Dit is een cruciale stap voor vervolgonderzoek.
Digitale en gepersonaliseerde inzichten
Met de validatie van dit model richt het onderzoeksteam zich nu op nieuwe toepassingen. Zo wordt gekeken naar de invloed van prenatale blootstelling aan omgevingsfactoren, zoals het geneesmiddel valproïnezuur (VPA), dat eerder in verband is gebracht met een verhoogd autismerisico. Door organoïden van mensen mét en zonder autisme te vergelijken, hopen de onderzoekers beter te begrijpen hoe genetische en omgevingsfactoren elkaar versterken.
“Onze focus ligt nu op prenatale blootstellingen die samenhangen met een autismediagnose,” zegt Stein. “We willen begrijpen hoe toxische stoffen de vroege hersenontwikkeling beïnvloeden, en hoe genetische risico’s die effecten kunnen vergroten.”
De studie illustreert hoe geavanceerde celmodellen en data-analyse bijdragen aan precisiegeneeskunde in de neurozorg. Door biologische processen vroeg en op individueel niveau te ontrafelen, ontstaat perspectief op eerdere signalering, gerichtere preventie en uiteindelijk meer gepersonaliseerde zorg voor kinderen met een verhoogd risico op autisme.
Eye-tracking
Vorig jaar schreven we over hoogleraar Ralph Adolphs die eye-tracking ziet als een van de meest effectieve methoden om autisme te onderzoeken en beter te begrijpen. Met deze techniek wordt vastgelegd waar proefpersonen naar kijken bij het zien van beelden of video’s. Onderzoek laat zien dat mensen met autisme zich vaker richten op niet-sociale elementen, zoals objecten of patronen, terwijl neurotypische personen vooral gezichten bekijken. Dit biedt waardevolle inzichten in verschillen in sociale cognitie en emotieverwerking.
In zijn Emotion and Social Cognition Lab bestudeert Adolphs al decennialang de neurobiologische basis van sociaal gedrag, onder meer bij autisme. Eye-tracking geeft inzicht in onderliggende cognitieve processen, maar wordt nog beperkt toegepast vanwege de hoge kosten. Mogelijk kan smartphone-technologie dit in de toekomst toegankelijker maken.
