Verbetering na herseninfarct mogelijk

Hersenschade door een beroerte ontstaat niet alleen door het directe zuurstoftekort en afstervende cellen. De immuunreactie die erna op gang komt, kan de schade flink verergeren. Witte bloedcellen infiltreren het hersenweefsel om de boel op te ruimen, was ooit het idee. Maar recent onderzoek laat steeds overtuigender zien dat de leukocyten nieuwe bloedvatverstoppingen kunnen veroorzaken en toxische stoffen uitscheiden. Behandeling van een beroerte moet dus niet alleen gericht zijn op het herstel van de doorbloeding, zoals nu meestal het geval is, maar ook de schadelijke ontsteking tegengaan. En daar haakt het onderzoek van dr. Rick Dijkhuizen van het Image Science Institute op in.

Van NWO heeft hij een VIDI-subsidie ontvangen om de ontstekingsreactie in de hersenen, neuroinflammatie, via magnetische resonantie-technieken in beeld te brengen. Dijkhuizen wil twee processen in kaart brengen. Via cellulaire imaging hoopt hij de infiltratie van verschillende witte bloedcellen, zoals neutrofielen, monocyten en T-lymfocyten, in de hersenen zichtbaar te maken. Hoe snel verloopt dat, en naar welke gebieden gaan de cellen toe? Daarnaast moet moleculaire imaging meer gaan vertellen over verschillende typen cel adhesiemoleculen (CAMs), zoals E- en Pselectine, en ICAM en VCAM. Deze moleculen worden tot expressie gebracht door geactiveerde endotheelcellen, in de wand van een bloedvat, en bewerkstelligen de migratie van witte bloedcellen naar het Uiteindelijk, maar dan kijkt Dijkhuizen over de VIDI-horizon heen, hoopt hij dat het onderzoek uitmondt in een nieuwe, aanvullende behandeling voor patiënten die een beroerte hebben ondergaan. De acute behandeling draait nu om het herstellen van de doorbloeding via trombolyse, het opheffen van bloedstolsels. Hernieuwde doorstroming is echter geen onverdeelde zegen vanwege het ontstekingsrisico en de verhoogde kans op hersenbloedingen. Als de door trombolyse ingezette reperfusie later dan drie uur na een infarct plaatsvindt, kan dit de schade aanmerkelijk verergeren. “Vanwege die complicaties worden patiënten alleen binnen drie uur met een trombolytisch middel behandeld, daarna is de schade door trombolyse meestal groter dan de winst die ermee te behalen valt”, vertelt Dijkhuizen.

“Stel dat anti-inflammatie-therapie dat tijdsraam vergroot van drie naar zes uur, dan kunnen we al veel meer patiënten helpen. Nu is het zo dat minder dan vijf procent van de mensen die een beroerte ondergaan, binnen drie uur klaarligt voor behandeling in het ziekenhuis.”

Interferon

De VIDI-subsidie is natuurlijk gegrondvest op veelbelovende wetenschappelijke aanknopingspunten. Uit proefdieronderzoek blijkt bijvoorbeeld dat dieren zonder neutrofielen minder last hebben van neuroinflammatie na een beroerte, en kleinere infarcten krijgen. Een bewijs voor de schadelijke werking van de witte bloedcellen. Een ander uitgangspunt is het ontstekingsremmende interferon-beta. Dat middel is al in gebruik als medicijn bij patiënten met de autoimmuunziekte multiple sclerose, het remt de infiltratie van leukocyten. In ratten is het middel ook effectief om de effecten van een beroerte te bestrijden. In het lab van Dijkhuizen hebben collega’s laten zien dat met interferon-beta behandelde ratten een kleiner infarct ontwikkelen na een beroerte. “Omdat interferon-beta al klinisch beschikbaar is, heeft het een enorm potentieel”, stelt Dijkhuizen. “Als wij kunnen aantonen hoe het in een ischemisch brein de ontsteking remt, dan is de weg naar de kliniek hopelijk nog maar heel kort.”

Maar voor het zover is, heeft Dijkhuizen nog heel wat werk voor de boeg. De VIDI- subsidie voorziet in vijf jaar onderzoeksfinanciering, daarmee stelt Dijkhuizen onder meer twee aio’s en een postdoc aan. Hij gaat aan de slag met moleculaire en cellulaire imaging, twee vernieuwende technieken waar methodologisch nog wel een en ander gepionierd zal moeten worden voor alles vlekkeloos verloopt.

 
9,4 Tesla

Om cellen te volgen via MR is om te beginnen een sterke scanner nodig. Die heeft Dijkhuizen tot zijn beschikking in de vorm van de 9,4 Tesla-scanner. Een typisch experiment begint met het isoleren van leukocyten uit het bloed van een muis. Na opzuivering krijgen deze cellen MR-contrastmiddel toegediend via een transfection agent of via electroporatie, waarbij een stroompuls de celmembraan tijdelijk doorlaatbaar maakt. Als contrastmiddel fungeren bijvoorbeeld paramagnetische ijzeroxide-partikels, die in een magneetveld eigenlijk niet direct zichtbaar zijn, maar wel door hun effect op de omringende watermoleculen. Dijkhuizen moet overigens nog formeel bewijzen dat de ijzeroxide-partikels volledig onschadelijk zijn voor alle typen witte bloedcellen die hij gaat gebruiken. De verrijkte witte bloedcellen worden vervolgens teruggespoten in de bloedbaan van de muis, waarna de meting kan beginnen. Daarvoor moet de muis natuurlijk nog wel een infarct ondergaan. Dit wordt opgewekt door met een draadje met siliconen-coating de middelste halsslagader (arteria cerebri media) af te sluiten en het draadje na enkele uren, afhankelijk van het experiment, weer terug te trekken. Zo ontstaan reproduceerbare media-infarcten.

In het begin van het onderzoek start Dijkhuizen met een ander ontstekingsmodel. Hij spuit dan chemokines of cytokines in de muizenhersenen waardoor het endotheel geactiveerd raakt en er een ontstekingsreactie ontstaat. Na het infarct, of na het inspuiten van de chemokines/cytokines, gaat het proefdier in de MRI-scanner en worden de gemerkte leukocyten gevolgd. Na een paar uur wordt de meting herhaald, net als tijdens de daaropvolgende dagen. Zo hoopt Dijkhuizen erachter te komen wanneer de verschillende typen witte bloedcellen zich waar in de hersenen verzamelen en de ontstekingsreactie in gang zetten. De kennis daarover gaat momenteel namelijk niet verder dan dat er een ontsteking ontstaat.

 

Voordelen

Deze experimenten beloven duidelijkheid te scheppen, onder meer vanwege de mogelijkheid om met de 9,4 T MRIscanner in vivo metingen te verrichten met relatief hoge ruimtelijke resolutie. De scanner kan geen individuele cellen onderscheiden, maar het scheelt niet veel. De ruimtelijke resolutie is rond de honderd micrometer, daarin kunnen zich tientallen cellen bevinden. “De enorme voordelen van MRI-onderzoek blijken wel uit deze proefopzet”, zegt Dijkhuizen. “Het is een niet-invasieve, onschadelijke techniek waarmee we de hersenen driedimensionaal in beeld kunnen brengen, gedurende meerdere dagen.” De molecular imaging proefopzet is vergelijkbaar. Alleen gaat het dan niet om gemerkte witte bloedcellen, maar om moleculen. Om de CAMs zichtbaar te maken, is het nodig om geavanceerde nanopartikels die zijn voorzien van MR contrastmiddel en specifieke antilichamen of peptiden aan de adhesiemoleculen te binden. Dijkhuizen is benieuwd hoe goed dat gaat werken, want een dergelijk partikel is bijvoorbeeld nogal groot ten opzichte van het adhesiemolecuul waar het om draait. Kan zo’n partikel met aanhangsels alle CAMs nog wel bereiken? De beste proefopzet moet zich nog bewijzen.

 

Quantum dots

Ondanks de beschikbaarheid van een enorm sterke MRIscanner, beperkt Dijkhuizen zijn onderzoek niet tot magnetische resonantie imaging. De witte bloedcellen en de CAMs gaat hij labelen met ‘bimodale’ contrastdeeltjes, dat wil zeggen dat ze op twee manieren te detecteren zijn. Naast de MRI-scanner is dat in dit geval ook de fluorescentiemicroscoop. Door de cellen eveneens fluorescent te labelen is het mogelijk om na de MRImetingen, in hersenplakjes (‘ex vivo’) tot op celniveau zichtbaar te maken hoe de ontsteking zich heeft ontwikkeld in de muizenhersenen. Voor de bimodale labeling gaat Dijkhuizen onder meer gebruik maken van MR- detecteerbare quantum dots, fluorescente nanokristallen die een zeer nauw omschreven lichtemissiespectrum hebben. De kleur licht die ze uitzenden is bovendien fysisch- chemisch ‘in te stellen’. Dat maakt het in theorie mogelijk de CAM’s en leukocyten met verschillende ‘kleuren’ quantum dots uit te rusten en parallel zichtbaar te maken. Complicerende factor is wel dat de nanokristallen, die vaak bestaan uit cadmiumverbindingen, extreem toxisch zijn. Pas met een coating zijn ze geschikt voor biologisch gebruik. De ontwikkeling van de MR-detecteerbare quantum dots vindt plaats in samenwerking met de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Utrecht.

Een van de opmerkelijkste kanten van het VIDI-onderzoek is misschien wel dat het nog nodig is. Hart- en vaatziekten zijn de belangrijkste doodsoorzaak in de Westerse wereld, toch is nog erg weinig bekend over de rol van ontstekingen in de pathofysiologie van herseninfarcten. “Het speelt zich in stappen af in de hersenen, over langere tijd”, verklaart Dijkhuizen. “Traditioneel zou dit via de histologische benadering aangepakt worden. Dus: hersenplakjes maken van de hersenen op verschillende plaatsen, op verschillende momenten na een infarct. En daarvoor moeten heel veel proefdieren opgeofferd worden, dat maakt het omslachtig en duur. Dankzij MR kan het proefdiervriendelijker, makkelijker en efficiënter.”

 

De hersenen als netwerk

De hersenen als netwerk. Dat is het centrale concept in de high potential- beurs die Rick Dijkhuizen  (Image Science Institute) samen met Hilleke Hulshoff Pol (Rudolf Magnus Institute for Neuroscience) van NWO krijgt. De onderzoekers gaan zich verdiepen in neuroconnectiviteit. Hilleke Hulshoff Pol en
Dijkhuizen beschikken over methoden om de architectuur en activiteit van de witte stof in de hersenen, de zenuwuitlopers of axonen, in kaart te brengen. Via diffusie tensor imaging kunnen ze diffusie-richting van weefselwater meten, en daarmee de richting en vorm van de zenuwbanen bepalen.

Dijkhuizen en Hulshoff Pol gaan dit combineren met al langer bestaande fMRI-technieken, waarmee activiteit in de grijze stof, de neuronen zelf, zichtbaar wordt. Inzicht in zowel de witte als de grijze stof geeft een beeld van de neuroconnectiviteit in de hersenen. Welk gebied ‘praat met’ of beïnvloedt welk andere
gebied? Hulshoff Pol wil hiermee de ontwikkeling van het adolescente brein ontrafelen. Tijdens die levensfase, waarin onder meer het intellect zich ontwikkelt, gaat het volume grijze stof omlaag maar stijgt het volume witte stof. Connectiviteit is dan kennelijk belangrijker dan nieuwe neuronen. Dijkhuizen gaat zich richten op de fysiologische basis van de nieuwe MRI-technieken. Daarnaast wil hij kijken naar de effecten van hersenschade en –plasticiteit. Welke nieuwe hersenbanen worden actief na een hersenaandoening, of hoe verandert de bedrading van de hersenen in de herstelfase? Hiervoor gaat hij onder meer aan de slag met mangaan. Dit metaalion is zichtbaar in de MRI- scanner en neuronen nemen het op omdat het op calcium lijkt. Omdat het zich via axonen verspreidt en zelfs de synaptische spleet oversteekt, maakt de verdeling van mangaan neuronale banen zichtbaar met MRI. Via de hersenbalk, het corpus callosum, kan mangaan zelfs oversteken van de ene naar de andere hersenhelft.

“Hopelijk kunnen we zo de dynamiek van het systeem in beeld brengen, wellicht verloopt het mangaantransport wel langzamer na een infarct”, hoopt Dijkhuizen. “Met de unieke combinatie van deze moderne MRI- technieken, in mens en dier, verwachten we nieuwe inzichten te krijgen in veranderingen in
neuroconnectiviteit tijdens ontwikkeling en na schade in de hersenen.”

Overgenomen uit: de ABC- nieuwsbrief van de UU.