KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 30, SEPTEMBER 2016

Biomarker onderzoek hartfalen bij Experimentele Cardiologie levert zicht op therapeutica

Onderzoekers van Experimentele Cardiologie bij het UMC Groningen krijgen steeds meer vat op hartfalen. Door onderzoek met biomarkers krijgen ze meer inzicht in de onderliggende mechanismen en de prognose van de ziekte. Op basis van één van die biomarkers, galectine-3, zijn ze hard op weg naar de identificatie van mogelijke therapeutica.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hoofdanalist Janny Takens bij het ruim een half jaar geleden bij BioSPX aangeschafte Synergy liquid handling systeem van Biotek.

Van de regen in de drup. Dat is wat veel patiënten overkomt die tegenwoordig succesvol behandeld kunnen worden tegen hoge bloeddruk of een hartinfarct. Waar nog niet eens zo lang geleden veel mensen rond hun vijftigste aan dergelijke aandoeningen stierven, is nu de kans dat je aan dergelijke aandoeningen succesvol kan worden behandeld heel erg groot. “Echter, wat je daarvoor terugkrijgt is dat je tien, twintig jaar later hartfalen kunt ontwikkelen. Een cardiovasculaire aandoening die we op dit moment nog niet goed kunnen behandelen. De prognose is zelfs slechter dan die van de meeste vormen van kanker. We zien hartfalen ook steeds meer voorkomen. Alleen al in Nederland gaat het nu al om zo’n 150.000 patiënten. De verwachting is dat dit de komende 15 tot 25 jaar oploopt tot meer dan 250.000. Daar ligt aan ten grondslag dan we met z’n allen steeds ouder worden, maar dus ook omdat allerlei voorlopers van hartfalen, zoals hartinfarct, steeds beter behandeld kunnen worden. En daarbij gaat het niet alleen om oudere mensen. Ook kinderen met aangeboren hartafwijkingen, die we nu veel beter kunnen behandelen dan vroeger, kunnen op den duur hartfalen ontwikkelen; en we zien ook bij hen een toename. Hartfalen is kortom een groot maatschappelijk probleem en dat moeten we nu dus aanpakken. Dat is een belangrijke reden dat binnen onze vakgroep de onderzoeksfocus ligt op hartfalen”, zegt klinisch cardioloog Rudolf de Boer, die als hoogleraar Translationele Cardiologie onderzoek doet bij Experimentele Cardiologie van de afdeling Cardiologie van het Thorax Centrum van het UMC Groningen.

 

Hartfalen

Hartfalen is een conditie waarbij het hart niet meer voldoende bloed rond kan pompen en dus niet aan de verwachtingen van het lichaam kan voldoen. Eerste symptomen hierbij zijn kortademigheid bij inspanning en vochtophoping. Bij verdere verslechtering zal de patiënt extra zuurstof nodig hebben, zeer vermoeid en bedlegerig zijn en een zeer slechte kwaliteit van leven hebben. Binnen vijf jaar na diagnose overlijdt de helft van de patiënten. Daar is, in tegenstelling tot veel andere cardiovasculaire ziektes, de afgelopen jaren weinig verbetering in bereikt. De belangrijkste oorzaken van het ontwikkelen van hartfalen zijn cardiovasculaire ziektes als een voorgaand hartinfarct, langdurige hoge bloeddruk (hypertensie) en lekkende hartkleppen, maar ook andere aandoeningen die een effect hebben op het cardiovasculaire systeem, zoals obesitas en diabetes. Je kunt hartfalen dan ook beschouwen a een optelsom van andere cardiovasculaire en hemodynamische problemen, schade en stress waar het hart steeds moeilijker mee kan dealen en uiteindelijk aan bezwijkt.

 

Translationeel onderzoek

Het onderzoek bij Experimentele Cardiologie richt zich op verschillende onderliggende mechanismen die een rol spelen bij de ontwikkeling van hartfalen. Dit zijn onder andere hypertrofie (groei van hartspiercellen, zonder dat er celdeling plaatsvindt, wat leidt tot vorm- en functionele veranderingen van het weefsel), cardiale fibrose (verhoogde vorming van bindweefsel in het hart) en allerlei inflammatoire reacties. “Door fundamenteel onderzoek willen we meer inzicht krijgen in die mechanismen, maar doel is ook om die kennis praktisch toe te passen in de kliniek, snel te kunnen vertalen in een betere diagnose en behandeling van de patiënt. Voor dit translationeel onderzoek hebben we bij Experimentele Cardiologie, als onderdeel van Cardiologie en daarmee ook van het Thorax Centrum, een ideale setting. Er is veel wisselwerking tussen onderzoekers en clinici, wat zich uit in kennisuitwisseling van klinisch onderzoek naar fundamenteel onderzoek en andersom. Veel projecten worden in multidisciplinaire teams uitgevoerd. Bijna alle promovendi van Cardiologie werken op deze afdeling; een deel daarvan heeft ook klinische taken en doet ook klinisch gericht onderzoek”, vertelt Herman Silljé, als assistant professor één van de ruim 30 onderzoekers bij Experimentele Cardiologie.

 

Galectine-3

Een voorbeeld van translationeel onderzoek, dat inmiddels het stadium van zicht op therapeutische stoffen heeft bereikt, is dat aan galectine-3. “Dit is een eiwit dat we bij iedereen in het bloedplasma kunnen meten. Maar in klinische studies hebben we achterhaald dat er een subpopulatie van mensen met hartfalen die een hoger gehalte van deze biomarker in hun bloed hebben dan andere mensen met hartfalen. Juist die subpopulatie, ongeveer een derde van de patiënten, blijkt een slechtere prognose te hebben. Inmiddels zijn we in de kliniek ook een studie gestart waarin we onderzoeken of en hoe dat kan worden gekoppeld aan fibrose, één van de belangrijkste veranderingen in het hart bij hartfalen. Maar dergelijke, kostbare studies vergen veel tijd”, stelt Rudolf de Boer. “De vraag of galectine-3 een direct kwalijk effect heeft op het hart en of we die specifieke populatie op een bepaalde manier zouden moeten behandelen hebben we onderzocht in een diermodel. In deze zogenaamde galectine-3 knock-out muis is het gen voor galectine-3 gedeactiveerd, en daardoor kan deze muis helemaal geen galectine-3 meer aanmaken. We kunnen op diverse manieren hartfalen induceren, bijvoorbeeld met angiotensine II, een hormoon met een bloeddrukverhogende werking. Waar bij normale muizen de hartfunctie verslechtert en dus hartfalen ontstond, zagen we dat die verslechtering van de hartfunctie bij de knock-out muizen grotendeels achterwege bleef. Ook zagen we dat er zich bij die muizen minder fibrose in het hart ontwikkelt”, licht Herman Silljé het preklinisch onderzoek met de biomarker galectine-3 toe. “In vervolgexperimenten hebben we een gemodificeerd pectine gebruikt, MCP (‘modified citrus pectin’). Dit MCP bindt zich in bloed aan galectine- 3 en zou dus dit eiwit moeten inactiveren. Inderdaad bleek dat het geval te zijn: als we MCP aan ratten gaven waarin we hartfalen hadden geïnduceerd zagen we dat de hartfunctie beter bleef en er minder fibrose ontstond.”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therapie

Op het moment dat je een causaal verband hebt aangetoond, kun je met de zoektocht naar effectieve remmers de volgende stap zetten. “Met pectines uit fruit ga je dat qua effectiviteit moeilijk redden, want dan zou je kilo’s citrusvruchten per dag moeten eten!”, lacht Rudolf de Boer. Over welke stoffen dan wel worden onderzocht wil hij niet meer kwijt dan dat er onder andere in samenwerking met de Universiteit Wageningen meerdere chemisch gemodificeerde pectine varianten worden getest. Ook zijn er samenwerkingen met verschillende farmaceutische bedrijven waarvoor kandidaat-medicijnen worden getest. “Hartfalen is een multifactoriële ziekte, waarbij allerlei neurohormonale en metabole afwijkingen aan de orde kunnen zijn. We beperken ons zeker niet alleen tot galectine-3 remmers, maar kijken ook naar middelen die bij andere ziektes effectief zijn. Neem bijvoorbeeld de interactie tussen suikerziekte en hart- en vaat ziektes. We testen hier bijvoorbeeld ook nieuwe antidiabetica, die ontworpen zijn om de suikerniveaus in het bloed te verlagen, maar als bijwerking hebben dat ze allerlei effecten op het hart hebben.” Net als in de oncologie, waarbij ze al heel ver zijn met subtypering en je bij wijze van spreken aan de hand van een fl ow chart een patiëntspecifi eke behandeling kunt vaststellen, is ook bij hartfalen een dergelijke benadering wenselijk, denkt Rudolf de Boer. “Op dit moment zijn de fenotypes die we binnen ons onderzoek gebruiken nogal rudimentair: hartfalen na een infarct, of hartfalen bij hoge bloeddruk, dat soort indelingen. Naast galectine-3 kijken we ook naar andere biomarkers in het plasma die mogelijk verschillen tussen patiënten aan het licht kunnen brengen. In combinatie met de klinische observaties van de hartfunctie middels ECG en echo kunnen we met een verzameling parameters in het bloed profi elen opstellen, zodat we mogelijk op termijn patiënt-specifi ek kunnen behandelen. Vooralsnog is dit toekomst. Maar als we geschikte galectine- 3 remmers kunnen vinden waarmee tot een derde van de patiënten met hartfalen zouden kunnen behandelen, zijn we al een heel eind op weg!”

 

Een hart zo groot als de nagel van je pink

Een beetje jaloers zijn ze wel bij Experimentele Cardiologie, op collega’s die andere ziektes onderzoeken. Herman Silljé:“ Bij oncologie bijvoorbeeld heb je altijd de beschikking over weefsels, omdat daar een onderdeel van de behandeling is dat je de tumor uitneemt. Dat is bij cardiologie veel lastiger. Harten gaan er alleen uit bij transplantatie, bij eindstadium ziekte, waar ze vaak niet representatief zijn voor het ziekteproces. Met alleen celkweek kom je er in ons geval ook niet. We kunnen hartspiercellen kweken en hier bepaalde vraagstellingen mee oplossen, maar met een aantal cellen in een schaaltje is het lastig uitspraken te doen over de pompfunctie. En een dergelijke experimentele opzet leent zich ook niet goed voor het nabootsen van de omstandigheden die aan hartfalen ten grondslag liggen: ik zou niet weten hoe ik een verhoogde bloeddruk in een petrischaaltje moet nabootsen. We zijn derhalve ook aangewezen op dierstudies, omdat we de pompfunctie van het hart willen bestuderen, en hoe deze omgaat met alle verschillende neurohormonale en hemodynamische veranderingen. Uiteraard hebben we voor elke dierstudie ethische toestemming nodig van de Centrale Commissie Dierproeven.” De muis, met een hart dat zo groot is als de nagel van je pink, leent zich het beste voor het onderzoek van de Groningers. Niet in de laatste plaats omdat ze gemakkelijk genetisch te modificeren zijn, je gemakkelijk transgene muizen kunt maken. Voor de muizen wordt hetzelfde arsenaal aan niet-invasieve apparatuur als in de kliniek gebruikt: ECG, echo, MRI. Ook kan een minuscuul kathetertje in het muizenhart worden ingebracht om drukverschillen en volumes te meten. Daarnaast kan het hart op histologisch niveau worden bestudeerd, en kunnen moleculaire analyses, zoals realtime PCR verricht worden. “De kleine bloedplasmavolumes die verkregen kunnen worden van een muis zijn wel uitdagend voor moleculaire analyses. Maar ze hebben ook weer een voordeel: je hebt minder nodig van de dure soms moeilijk te verkrijgen medicamenteuze stoffen die nodig zijn voor het uitvoeren van een geneesmiddelenstudie!”

“Hartfalen is een groot maatschappelijk probleem
en dat moeten we nu dus aanpakken.”

ELISA

Galectine-3 is eenvoudig te bepalen aan de hand van ELISA. Sinds ruim een half jaar wordt hiervoor in het moleculair-biologische lab van Experimentele Cardiologie gebruikgemaakt van een door BioSPX geleverd Synergy liquid handling systeem van Biotek, naast een reader van dezelfde leverancier. “We meten voor de verschillende onderzoeken heel veel verschillende bloedeiwitten en peptiden. Daarbij willen we binnen bijvoorbeeld de galectine-3 populatie ook weer differentiaties kunnen maken. Het is dan wel zoeken naar de relevante biomarkers en alleen al daarom verrichten we steeds meer ELISA’s. Samen met de projecten die we hebben met farmaceuten en andere onderzoeksinstellingen, is dat het afgelopen half jaar al goed voor duizenden samples. Maar door de automatiseringsslag die we met deze investering hebben kunnen maken, is veel tijdrovend werk uit de handen van de analisten gebleven. Anticiperend op een verdere toename van het aantal monsters zijn we aan het kijken of we het liquid handling systeem met een robotarm kun uitbreiden, of dat we een tweede Synergy aanschaffen. En misschien gaat het wel allebei gebeuren!”, aldus Herman Silljé. De ELISA’s worden uitgevoerd door een team van vijf analisten, die worden aangestuurd door hoofdanalist Janny Takens. “Deze technieken zijn niet bijzonder ingewikkeld, maar je wilt omwille van de reproduceerbaarheid je experimenten zo consistent mogelijk uitvoeren. Dan helpt het als je, naast natuurlijk het gebruik van goede apparatuur, dat laat doen door ervaren vakmensen.”

 

BioSPX

www.biospx.com

 

Experimentele Cardiologie

www.rug.nl/research/cardiologie/ experimentelecardiologie

Dr. Herman Silljé (l) en prof. dr. Rudolf de Boer zien een belangrijke rol voor galectine-3 remmers in de behandeling van hartfalen.

Microscopische immunofluorescentie opname van in vitro gekweekte hartspiercellen. Het intracellulaire cytoskelet van de hartspiercellen is met fluorescente antilichamen gekleurd. Het actine cytoskelet in rood en alfa-actinine, dat specifiek is voor hartspiercellen, in groen. Overlap geeft een oranje kleur. Het karakteristieke gestreepte patroon, komt door de aanwezigheid van sarcomeren, de contractiele eenheden die voor samentrekken van de hartspiercel zorgen.

AGENDA

KOOPJESHOEK