EDITIE 33, SEPTEMBER 2017

Onderzoekers persen geheimen

uit darmbacteriën in nieuw lab

in Villa Flora-gebouw in Venlo

Vijf jaar na het afsluiten van de Floriade tentoonstelling in Venlo is er in het enorme, 30 meter hoge Villa Flora gebouw geen boom, struik of plant meer te bekennen. Wel is er temidden van de enorme leegte, een klein laboratorium te zien, gelegen op een entresol. Daar onderzoekt prof. dr. Koen Venema de interacties tussen voeding en darmbacteriën. Eind dit jaar hoopt hij een zes keer zo grote ruimte in gebruik te nemen, die pal naast zijn lab wordt gebouwd.

Het tijdelijke onderzoekslaboratorium van 100 m2
bevindt zich nu nog rechts van de pilaar op de entresol,
naast het Brightlabs laboratorium.

Ruimte, meer plek voor zijn onderzoek. Daar ziet Koen Venema al sinds zijn aanstelling –bijna drie jaar geleden– als bijzonder hoogleraar bij de faculteit ‘Health, Medicine & Life Sciences’ van de Universiteit Maastricht naar uit. Zijn leerstoel ‘Microbiologie van het darmkanaal’ bracht hem namelijk niet in Maastricht, waar hij organisatorisch bij de afdeling Humane Biologie is ingebed, maar naar Venlo. Daar heeft de Universiteit Maastricht zeven jaar geleden een vierde campus opgericht (na Maastricht, Geleen en Heerlen), waar inmiddels twee masteropleidingen en een bachelor lopen. “De regio Venlo is op het gebied van agrofood heel sterk, en dat heeft een aanzuigende werking, ook op studenten. Toen ze hier begonnen met de masteropleiding gezonde voeding, ‘Health Food Innovation Management’, hadden ze vier studenten; nu starten jaarlijks meer dan 50 studenten deze tweejaarlijkse opleiding. Een opleiding die enorm goed aangeschreven staat: studenten krijgen vaak direct een baan aangeboden bij het bedrijf of de instelling waar ze stage lopen. En ook de twee jaar geleden gestarte bachelor ‘University College Venlo’ is een succes: we staan in de keuzegidsen op de eerste plaats!”, vertelt Venema enthousiast. Het idee is dat er over vijf tot zeven jaar zo’n duizend studenten op de campus in Venlo zijn, in het centrum waar de college's worden gegeven en acht kilometer buiten de stad, in de Villa Flora op het voormalige Floriade-terrein waar onderzoeksen practicumlaboratoria worden gebouwd.

Koen Venema heeft op die plek inmiddels een onderzoekslaboratorium van ongeveer 100 vierkante meter, pal naast het Brightlabs laboratorium, dat deze ruimte tijdelijk in bruikleen heeft gegeven. “Geen ideale situatie, maar we –naast mij drie analisten en twee aio’s– kunnen in ieder geval ons onderzoek doen. En toch weer een stuk beter dan de 20 vierkante meter die we hiervoor hadden in een kelder bij de Hogeschool Venlo. Gelukkig zijn ze deze week (eind augustus, red.) dan eindelijk met de bouw van het nieuwe laboratorium begonnen.

 

Analiste Jessica Verhoeven bij de door BioSPX geleverde
microtiterplaat lezer (Synergy HTX van Biotek) en imaging apparaat
(Platinum V10 van Uvitec ).

Ook hier op de entresol, maar dan aan de andere kant van Brightlabs. Met de 600 m2 kunnen we onze onderzoeksambities vorm geven en hebben we voldoende plek voor het geven van practica.”

 

Robuust model

Het onderzoek richt zich op de interactie van voeding en bacteriën in het spijsverteringsstelsel, met name de darmbacteriën. “De darmen spelen een cruciale rol in onze gezondheid. In die darmen zitten ongelofelijk veel micro-organismen; meer dan tien keer zo veel als het aantal cellen in ons lichaam. Ik zeg ook vaak dat de mens 90% darmbacteriën is, en slechts 10% mens. Het interessante is dat de samenstelling en de activiteit van micro-organismen zijn te moduleren met voeding. Gezonde voeding werkt positief op de gezondheid van de darmpopulatie en leidt tot een betere gezondheid, zou je als algemene stelregel kunnen poneren.

Als bijzonder hoogleraar bij de faculteit
‘Health, Medicine &Life Sciences’ van de
Universiteit Maastricht doet Koen Venema
onderzoek naar de microbiologie van het darmkanaal.

En in één adem kan je zo’n redenatie voor ongezonde voeding opstellen. Alleen wat dan die gezonde of ongezonde voeding is, wat de effecten er van zijn en welke mechanismen daarbij een rol spelen, dat zijn soms heel fundamentele vragen waar we nog maar mondjesmaat antwoord op hebben weten te vinden. Niet in de laatste plaats omdat de mix van darmbacteriën per persoon verschilt, en het plaatje er met zo’n 250 verschillende bacteriesoorten niet echt overzichtelijker op wordt”, vertelt Koen Venema. Omdat dergelijk onderzoek om allerlei praktische redenen bij mensen moeilijk is uit te voeren, maken de onderzoekers in Venlo gebruik van TIM, wat staat voor ‘TNO in vitro model’. Dit in de begin jaren tachtig van de vorige eeuw bij TNO ontwikkelde model bootst de werking van de spijsvertering natuurgetrouw na, en is gevalideerd voor mens, varken, hond en kalf. TIM –een constructie van buizen, kleppen, flexibele leidingen, pompen en een dialyse-apparaat– is er in twee smaken: TIM-1 voor het voorste gedeelte van de spijsvertering, van de maag tot en met de dunne darm en TIM-2 voor het stuk erna met als technisch hoogstandje het nabootsen van de peristaltische beweging van de dikke darm. Met dit model, waar Venema vanuit zijn TNO-tijd al meer dan vijftien jaar ervaring mee heeft, kunnen op iedere plek en op ieder tijdstip monsters worden genomen, zodat het spijsverteringsproces nauwkeurig kan worden onderzocht en kan worden bepaald hoe de micro-organismen in de darmen hun werk doen. Die micro-organismen worden overigens ingebracht in de vorm van een mengsel van de feces van proefpersonen, door Venema aangeduid als ‘fecale donaties’.

 

Pro- en prebiotica

Bij onderzoek naar de effecten van voeding op de samenstelling en de activiteit van micro-organismen vormen pro- en prebiotica een belangrijk thema, niet in de laatste plaats omdat er al jaren felle discussies zijn over al dan niet terechte gezondheidsclaims van deze producten. Probiotica zijn voedingsmiddelen met levende micro-organismen waaraan een gezondheidsbevorderend effect wordt toegeschreven. Bij prebiotica gaat het om onverteerbare koolhydraten en vezels die de groei van bacteriën in de dikke darm stimuleren, waaronder de Bifidobacteriën. Volgens Venema, en met hem vele anderen, zit de pijn hem vooral in de strenge Europese regelgeving, waar de Europese Autoriteit voor Voedselveiligheid EFSA sinds een aantal jaren stelt dat het merendeel van die gezondheidsclaims niet terecht is, en dus ook dat voedingsproducenten deze claims niet meer commercieel mogen gebruiken. EFSA stelt dat je wetenschappelijk gezien zo hoogstaand mogelijk onderzoek moet hebben uitgevoerd om zo'n claim te kunnen voeren en legt de lat dus zeer hoog.

Te hoog, ook volgens Koen Venema. “Aan de ene kant begrijp ik dat ze het kaf van het koren willen scheiden, want er zijn duizenden van dat soort producten met soms wel bedenkelijke claims, maar je kunt niet zomaar voorbij gaan aan de miljoenen mensen die baat hebben bij deze producten. Die kunnen ze overigens nog gewoon kopen, want ze zijn niet verboden.

 

Onlangs is –ook op de entresol in het Villa Floragebouw– de bouw gestart
van het nieuwe laboratorium, dat zes keer zo groot is als de huidige ruimte.

Maar toch blijft het vreemd dat in een land als Japan, waar een product als Yakult al sinds 1935 wordt geproduceerd, er onder het label ‘Food for Specialized Health Use’ honderden producten deze gezondheidsclaims wel mogen hanteren, en in de EU geen één!”

 

Mechanismen

De TIM’s zouden voor tientallen jaren kunnen worden gebruikt om onderzoeken te draaien naar de effecten van reeds op de markt zijnde pro- en prebiotica (die officieel dus niet zo mogen worden genoemd), maar Venema zet ze liever in om een stap verder te gaan, door het mechanisme achter een bepaald effect te achterhalen. “We weten mechanistisch nog maar heel weinig. En dat is ook moeilijk te ontrafelen omdat bacteriën levende entiteiten zijn. Als je ze onder verschillende omstandigheden opkweekt, kan de ene kweek wel een effect hebben, en de andere niet, omdat dan net dat ene molecuul er dan wel of niet is. Het idee is dat met name, op dit moment nog onbekende moleculen aan het oppervlak van de bacterie de interactie met de host aangaan. Maar het kunnen ook stofjes zijn die ze produceren, en die door ons worden opgenomen in de bloedbaan. En dan heb je nog het fascinerende gegeven dat de darmen onze hersenen kunnen beïnvloeden. Hoe? Via het immuunsysteem of via de neuronen die in grote getale om de darm, ook wel ons tweede brein genoemd, heen zitten?”

 

Tipjes van de sluier

Om die mechanistische puzzel te kunnen leggen laat Venema zijn aio’s stukjes van die puzzel maken. Zo zoekt de Braziliaanse Carlota Bussolo de Souza in reststromen van cassave, sinaasappels en passievruchten naar prebiotica, complexe koolhydraten die door onze eigen micro-organismen kunnen worden gebruikt. Bijvoorbeeld door ze om te zetten in boterzuur, dat een gunstig effect heeft op de darmwand, of door andere micro-organismen te stimuleren, waarvan gedacht wordt dat ze een positieve werking hebben op de gezondheid.

 

 

Een belangrijke onderzoekstool is de TIM, een model dat
de werking van de spijsvertering natuurgetrouw nabootst.
Dit is TIM-1, die het voorste gedeelte van de spijsvertering,
van de maag tot en met de dunne darm, simuleert.

Afgezien dat de vondst van prebiotica door het valoriseren van de gigantische afvalstromen een gunstig effect op de Braziliaanse economie kan hebben, zou het ook nog overgewicht kunnen tegengaan. Het idee is namelijk dat mensen met overgewicht een andere samenstelling van de darmflora hebben dan mensen met een normaal gewicht. Door die samenstelling door het stimuleren van ‘goede’ micro-organismen te normaliseren naar die van mensen met een normaal gewicht, zorg je voor een kink in de kabel in het onderliggende mechanisme dat tot overgewicht leidt. Een heel andere benadering is te vinden bij het aio-onderzoek dat eind dit jaar van start gaat. Hierbij worden fagen ingezet om selectief bepaalde micro-organismen uit te schakelen, zodat je effecten of juist het wegvallen daarvan kunt correleren met bepaalde bacteriën.

 

Analyse

Aan de hand van sequentiebepaling kan per experiment kwantitatief voor ieder van de ongeveer 250 bacteriesoorten in de darm worden bepaald wat het effect van dat experiment is. Daarnaast wordt gekeken naar de producten die door de bacteriën worden geproduceerd. Deze analyses op onder meer vetten, vetzuren, aminozuren, eiwitten en galzouten worden uitgevoerd door de buren van Brightlabs, dat valt onder de Brightlands Campus Greenport Venlo. “We werken heel nauw samen met Brightlabs. Ze hebben onlangs een wandje tussen ons en hen moeten laten optrekken vanwege hun ISOcertificering, maar daarvoor liepen we gewoon heen en weer. Ook in de nieuwe setting zal die samenwerking zo blijven, al is het wel de bedoeling dat we een aantal van de analyses zelf op gaan zetten zodra we de faciliteiten daarvoor hebben. Datzelfde geldt voor het bepalen van de samenstelling van de microbiota, dat nu nog in Leiden, bij Baseclear plaatsvindt.

 

Uitlezen en imagen

Voor het uitlezen van de assays en de imaging van platen en gels heeft Venema al wel de apparatuur staan op het lab. Zowel de microtiterplaat lezer (Synergy HTX van Biotek) als het imaging apparaat (Platinum V10 van Uvitec ), die beide zijn geleverd door BioSPX, zorgden door hun veelzijdigheid voor een besparing op de aanschaf van andere instrumenten. ‘De Synergy is een veelzijdig apparaat dat zowel fluorescentie kan meten als luminescentie en gewone lichtabsorptie. We kunnen hier dus veel van onze assays mee uitlezen, bijvoorbeeld om te kijken of van een fluorescent label voorziene micro-organismen hechten aan bepaalde eiwitten op de receptoren van onze darmcellen. Bovendien kan dat op een high-througput wijze voor de 96-wells platen die we gebruiken. En –niet onbelangrijk– het is een robuust apparaat, want we hebben hem zonder problemen bij studentenpractica gebruikt.” Veelzijdigheid maakt ook de imager tot een uniek apparaat. Hiermee kunnen onder andere DNA-gels, eiwitgels en agarplaten met licht van verschillende, door de gebruiker in te stellen golflengtes, worden gefotografeerd, waarna aan de hand van allerlei in te geven parameters automatische beeldanalyse plaatsvindt. “Aanvankelijk had ik geen budget om dit op basis van de ervaringen van gastonderzoekers aanbevolen apparaat aan te schaffen. Maar op mijn begroting stonden wel posten voor de aanschaf van een camera en een UV-bak. Die heb ik nu kunnen schrappen, zodat we door slim combineren dit apparaat toch konden aanschaffen”, aldus Koen Venema.

 

BioSPX

www.biospx.com

 

HEFI (Center for Healthy Eating and Food Innovation)

www.maastrichtuniversity.nl/aboutum/other-offices/campus-venlo/research-ums-campus-venlo

KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA