Chromaffine cellen vormen misschien wel het meest interessante cellulaire systeem in het menselijk lichaam. Zij zijn nauw verwant aan de sympathische neuronen en zijn een van de meest intensief bestudeerde afgeleiden van de neurale lijst. Als evolutionaire hybride van zowel het endocriene als het zenuwstelsel hebben zij gediend als model om de basismechanismen van neurofysiologie, gereguleerde secretie en farmacologie te onderzoeken. Zo kunnen bijnierschromaffinecellen worden beschouwd als de perifere hersenen, aangezien zij met neuronen enkele fundamentele mechanismen gemeen hebben: (1) ontvangen elektrische en chemische inputs; (2) zijn in staat deze signalen te decoderen en te herkennen; (3) bezitten de machinerie om een patroon van reacties te genereren en uit te werken, zoals het vrijkomen van catecholamines en andere boodschappers. Concluderend kan worden gesteld dat de chromaffinecellen, zoals een neuron, kunnen worden beschouwd als een secretorische cel die zijn secretie loslaat op grote afstand van het cellichaam waar macromoleculen worden gesynthetiseerd, zorgen voor een snelle communicatie tussen ver van elkaar verwijderde delen van het lichaam. Bovendien dient het bijniermerg met zijn chromaffinecellen door de afgifte van catecholamines voor de communicatie met alle belangrijke organen zoals het hart, het vaatapparaat, de longen, de nieren en ook de hersenen.
Belangrijker nog is dat de chromaffinecellen, gelegen in het centrum van een gemakkelijk toegankelijk perifeer orgaan, vele jaren hebben gediend als een venster naar de functies van de hersenen. Chromaffinecellen dienden als model om het basisconcept van neurochemische transmissie te identificeren. De eerste secretorische organellen werden geïsoleerd uit chromaffinecellen, en chromaffineblaasjes dienden als het model voor neurotransmitter-bevattende blaasjes. Veel van de belangrijkste bij het exocytoseproces betrokken eiwitten werden in chromaffineblaasjes gekarakteriseerd.1, 2, 3, 4, 5
Die dezelfde ectodermische (neurale lijst) oorsprong hebben, maken chromaffinecellen deel uit van de zogenaamde Erspamer’s driehoek (huid, darm en hersenen), die dezelfde neurotransmitters, neuropeptiden en transductiemechanismen bezitten.6 Veel van het huidige inzicht in de fysiologie en pathofysiologie van neuropeptide en monoamine neurotransmittersystemen is te danken aan studies waarbij chromaffinecel modelsystemen worden gebruikt. De ratten feochromocytoom (PC12) cellijn, meer dan 35 jaar geleden ontwikkeld door Greene en Tischler7 , blijft een van de meest bestudeerde en is tot op de dag van vandaag een krachtig model voor het begrijpen van neuronale systemen. Deze cellijn en andere chromaffine-modelsystemen zijn bijzonder nuttig gebleken voor studies van exocytotische mechanismen, met inbegrip van de werking van ionenkanalen, vesiculaire dynamiek en stimulus-secretie koppeling. Geassocieerde methodologische vooruitgang in de elektrofysiologie, van de ontwikkeling van de patch clamp tot meer geavanceerde technieken die elektrofysiologische en elektrochemische methoden combineren (bijvoorbeeld, patch amperometrie) zijn grotendeels vergemakkelijkt door de beschikbaarheid van dergelijke modelsystemen.
In de in situ doorboorde bijnier van de kat werd duidelijk aangetoond door gebruik te maken van verschillende receptoriële stimuli (acetylcholine, nicotine, dimethylfenylpiperazimium enz.) dat de chromaffinecellen twee verschillende neurosecretorische granules bezitten (de noradrenerge en de adrenerge), Dit sluit het idee uit dat de noradrenerge cellen de voorlopercellen zijn waarin fenylethanolamine-N-methyltransferase fungeert om ze in adrenerge chromaffinecellen te veranderen. Bovendien verhoogt ook op hersenniveau D-amfetamine met name de afgifte van noradrenaline.8, 9
Naast een beter begrip van neurale ontwikkelingsprocessen zijn chromaffinecelsystemen uiterst belangrijk geweest voor studies van neurodegeneratieve processen, tumorigenese en geneesmiddelenontwikkeling.
Door de nauwe relatie van chromaffinecellen met catecholaminerge neuronen zijn ze bovendien zelfs gebruikt voor de behandeling van neurodegeneratieve hersenaandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson.10 Tussen 1988 en 2001 werden >300 Parkinson-patiënten behandeld met autologe bijniertransplantaties met enige verbetering van de klinische symptomen. De overlevingspercentages van geënte volwassen chromaffinecellen waren echter slechts van korte duur en de klinische verbeteringen verdwenen 1-2 jaar na de transplantatie.11, 12 Een ernstige beperking bij de toepassing van volwassen bijniermerg was waarschijnlijk de post-mitotische aard van de meeste getransplanteerde cellen.
Op hetzelfde moment hebben endocrinologen de rol van verschillende centrale vrijstellende hormonen en neuropeptiden binnen de chromaffinecelsystemen onderzocht.13 Interessant is dat de bijniermerg in de periferie een soortgelijke set van neuropeptiden tot expressie brengt die in de hersenen voorkomen en betrokken zijn bij stressregulatie, energie homeostase, angst en pijn.14, 15 Het concept van ectopische hormoonproductie werd onder andere beschreven en verfijnd in deze cellen. Dit omvat de expressie van corticotropine-releasing hormoon, adrenocorticotropine, pro-opiomelanocortine en andere neuropeptiden in de bijniermerulla. De intense crosstalk van endocriene cellen, de paracriene en neurocriene paden van endocriene communicatie, werden vooral in de bijnier vastgesteld.16 Ook hier bootst de complexe maar toegankelijke micro-omgeving van de bijnier de micro-omgeving van de hersenen na wat betreft de crosstalk van neuronale structuren met verschillende endocriene celtypes.17 Bovendien is de werking van steroïden en neurosteroïden die in de hersenen voorkomen uitgebreid bestudeerd in chromaffinecelsystemen.18, 19 De strikte interactie tussen het corticale en het medullaire deel van de bijnier werd al lange tijd aangetoond. De remming van de biosynthese van bijnierglucocorticoïden door de specifieke remmer aminoglutethimide heeft zowel bij katten als bij ratten een significante afname van catecholamines op medullair niveau vastgesteld zonder veranderingen tussen de twee typen chromaffinecellen. Daarom oefenen glucocorticoïden een permissieve rol uit op het chromaffinesysteem via een dubbel mechanisme, een direct mechanisme op de chromaffinecellen en een indirect mechanisme via de remming van de CRH-afgifte op hypothalamisch niveau.20, 21
Waar het perifere stikstof-oxidesysteem voorkomt in de bijnierschors, brengen de chromaffinecellen het stikstof-oxidesysteem van de hersenen tot uitdrukking. Aldus zijn de basismechanismen van de stikstofoxide regulatie voor zowel neuronen als endocriene cellen geïdentificeerd in chromaffinecellen.22 Evenzo bevatten de hypofyse en de bijnier de grootste hoeveelheid vitamine C in het menselijk lichaam, en mechanismen van de rol vitamine C opname en regulatie van neurotransmitters werden geïdentificeerd in chromaffinecellen.23
De brede rol van de zenuwgroeifactor (NGF) in het levende organisme werd voor het eerst ontdekt in de bijniermerg.24 Inderdaad, Unsicker et al.25 ontdekten destijds aan de Johns Hopkins University dat onrijpe chromaffinecellen verkregen uit de bijniermerg die in aanwezigheid van NGF werden gekweekt, de biochemische en morfologische eigenschappen van sympathische neuronen kregen.
Daarnaast hebben experimenten uitgevoerd in het CNR (Italiaanse Raad voor Onderzoek) laboratorium voor celbiologie in Rome door Aloe en Levi-Montalcini26 in vivo aangetoond dat toepassing van NGF in de foetus van de rat en voortgezet gedurende 3 weken na de geboorte, de differentiatie van chromaffinecellen in sympatische neuronen binnen de bijnier induceerde. Hiermee werd duidelijk vastgesteld dat NGF een veel bredere rol speelt in levende organismen dan tot nu toe werd aangenomen.
De centrale medulla nam duidelijk in volume toe als gevolg van de differentiatie van bijniercellen in sympathische neuronen, die een groot aantal wijd vertakte vezels doen ontspruiten.
Gezien de voortreffelijke rol die het chromaffinecelsysteem in het verleden heeft gespeeld, zou het een vergissing zijn het systeem niet te gebruiken voor de huidige vraagstukken van hersenonderzoek.
We zijn een nieuw tijdperk van regeneratieve geneeskunde ingegaan, ook voor neurodegeneratieve ziekten van de hersenen. Chromaffinecellen zouden opnieuw het voortouw kunnen nemen bij het onderzoek naar enkele van de regeneratiemechanismen die op een vergelijkbare manier betrekking hebben op de meer complexe aandoeningen van het centrale zenuwstelsel (CZS). Chromaffine cellijnen worden nu gebruikt om de rol van NGF bij de ziekte van Alzheimer te onderzoeken. Eiwitten uit chromaffinekorrels bevorderen namelijk de overleving van neuronen,27 wat te danken kan zijn aan een aantal bekende of nog onbekende neurotrofine-factoren. Zo veroorzaakte NGF deprivatie van gedifferentieerde PC12 cellen een overproductie van amyloid-β peptiden, de meest toxische eiwitfragmenten die rechtstreeks betrokken zijn bij de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer, samen met celdood door apoptose.28 Het nauwe verband tussen NGF deprivatie en activering van de amyloidogene pathway werd uitgebreid tot hippocampale neuronen.29 Deze studies hebben een nieuwe eigenschap van TrkA, de NGF receptor met hoge affiniteit, aan het licht gebracht. Bij gebrek aan NGF schakelt TrakA over van een prosurvival naar een proapoptotisch celsignaleringssysteem. Het is redelijk om te veronderstellen dat een dergelijke eigenschap ook werkzaam is in chromaffine neuronen die NGF receptor dragen en nieuwe wegen opent voor celsignaleringsmechanismen in deze cellen.29
NGF bevordert ook de celoverleving tijdens endoplasmatisch reticulum stress in PC12 cellen.30 Bovendien worden PC12 cellen nu op grote schaal gebruikt om het effect en de signaalwegen te bestuderen van talrijke andere neurotrofe en neuroprotectieve peptiden bij hersenregeneratie. Dit omvat hypofyse-adenylaat-cyclase-activerend polypeptide,31, 32 been morfogenetisch eiwit 733 en cerebrale dopamine neurotrofe factor,34 die dopaminerge neuronen kan herstellen bij degeneratieve ziekten van de hersenen zoals de ziekte van Parkinson. Sequence variaties in het BDNF gen zijn in verband gebracht met depressie en het succes van antidepressiva behandeling,35 en de rol van BDNF in het mediëren van de neuroprotectieve rol van antidepressiva is recent onderzocht in chromaffine cellijnen.36
Verder zijn er steeds meer aanwijzingen voor het bestaan van multipotente neurale lijst-afgeleide progenitorcellen in de volwassen bijnier medulla.37 Hun recente identificatie en isolatie38 wekt nieuwe hoop voor hun mogelijk gebruik in de regeneratieve behandeling van neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Parkinson.39, 40, 41 Chromaffine progenitorcellen delen belangrijke eigenschappen met neurale stamcellen. Vergelijkbaar met neurosferen, wanneer verhinderd aanhechting aan de cultuur schotel, chromaffine progenitorcellen groeien in bollen met zelfvernieuwende capaciteit, die we genoemd chromosferen. Zij brengen de neurale progenitor merkers nestine, vimentine, musashi 1 en NGF receptor tot expressie, evenals Sox1 en Sox10,38 Mash137 en eiwitten van de Notch pathway (Vukicevic and colleagues, under revision). Bovendien zijn ze in staat om te differentiëren tot rijpe catecholaminerge neuronen38 (Vukicevic en collega’s, wordt nog herzien). Vergelijkbaar met differentiërende neurale stamcellen, waar Notch een belangrijke regulator is van neurale stamcel instandhouding in het zich ontwikkelende zenuwstelsel,42, 43 gaat de verschuiving naar neuronale differentiatie van chromosfeercellen gepaard met een vermindering van neurale progenitor markers waaronder Notch-2, Hes (hairy and enhancer of split) 1, Hes 5 en nestin (Vukicevic en collega’s, wordt nog herzien).
Ten slotte mag niet worden vergeten dat enterochromaffine cellen ook afkomstig zijn van de neurale lijst, en de plaats vertegenwoordigen waar Vittorio Erspamer in 1930 enteramine ontdekte,44 waarvan later werd vastgesteld dat het identiek is aan serotonine (5-HT)45 dat aanwezig is in het CZS.46 In de literatuur is een groot aantal artikelen te vinden waaruit blijkt dat andere neurotransmitters, neuropeptiden en dezelfde transductiemechanismen die in de hersenen aanwezig zijn, ook voorkomen in de gastro-intestinale chromaffinecellen, waar zij een belangrijke rol spelen.47
Dus, chromaffinecellen en neuronen van de hersenen en hun voorlopercellen delen vergelijkbare signaalwegen en vormen opnieuw een ideaal model om de aangeboren wegen en doelen voor regeneratie van de hersenen te identificeren.
Recente pogingen om het endogene regeneratie- en herstelpotentieel van het volwassen CZS te onderzoeken stuiten op grote moeilijkheden, die gebaseerd zijn op de rigiditeit van het systeem en de beperkte toegang tot farmaceutica. De bloed-hersenbarrière beperkt het aantal factoren dat systemisch kan worden getest en maakt invasieve alternatieven zoals directe injecties in de hersenen noodzakelijk. De stijfheid komt voort uit de subtiele plasticiteit die wordt vertoond, mogelijk als middel om de homeostase en het geheugen in stand te houden. De bijnier, in schril contrast, is een opmerkelijk plastisch orgaan dat op een uitgesproken manier reageert op vele fysieke en emotionele spanningen. Voor de wetenschapper die toestandsverandering onderzoekt, is de bijnier een uitstekende gereedschapskist. De kanarie in de kolenmijn is de chromaffinecel en zijn voorlopercel. Lichamelijke en emotionele schade veranderen de functie, eigenschappen en aantallen van deze cellen op een manier die gemakkelijk te beoordelen en te manipuleren is. De relevantie voor de neurowetenschappen is direct: chromaffine voorlopercellen delen veel gemeenschappelijke kenmerken met hun bonafide CNS broeders, ze kunnen worden gekweekt in vrijwel dezelfde manier (figuur 1), ze uiten veel gemeenschappelijke markers, waaronder componenten van het cytoskelet en transcriptiefactoren en, van cruciaal belang, ze reageren op veel behandelingen op dezelfde manier. Als onderzoekssysteem voor de neurowetenschapper is de bijnier een model van de hersenen, buiten de bloed-hersenbarrière, dat verhoogde reacties vertoont. Daarbinnen vormen de chromaffineprecursorcellen een toegankelijk en meetbaar venster op de werking van de neurale stamcellen van het CZS. In een tijd waarin wetenschappers ernaar streven zich niet in één orgaan in te delen, maar naar aanwijzingen zoeken die op zoveel mogelijk plaatsen tot nieuwe therapeutische benaderingen leiden, is het chromaffinecelsysteem een uitstekende onderzoekspartner voor zijn meer esoterische tegenhanger van het CZS.
Volwassen chromaffine voorlopercellen gedragen zich vergelijkbaar met volwassen neurale stamcellen. Meer dan een eeuw geleden, Kohn aangetoond dat de overeenkomsten tussen chromaffinecellen en neuronen.53, 54, 55 Als gevolg daarvan, geïsoleerde chromaffinecellen en de PC12 cellijn, afgeleid van een rat bijnier medulla feochromocytoom zijn vastgesteld als modellen van neuronale differentiatie. Recente vorderingen in de stamcelbiologie hebben kweekmethoden opgeleverd die de vermeerdering van primaire voorlopercellen uit niet-kankerachtig weefsel mogelijk maken. Deze technieken hebben de overeenkomsten tussen volwassen volwassen chromaffinecellen en volwassen volwassen neuronen uitgebreid tot hun voorlopercellen van oorsprong: het wordt nu steeds duidelijker dat de voorlopers van chromaffinecellen zich op vergelijkbare wijze gedragen als neurale stamcellen van het CZS. (a) Neurale stamcellen van de foetale en volwassen hersenen en chromaffine precursoren van de volwassen bijnier medulla van runderen kunnen worden gekweekt zonder celhechting aan het substraat, waardoor sferoïde (3-dimensionale) structuren. (b) Net als hun tegenhangers in het CZS, kunnen volwassen bijniermerg voorlopercellen ook worden gekweekt als monolayers in afwezigheid van serum, met mitogene steun van basisfibroblast groeifactor (bFGF). Het wegnemen van bFGF uit het kweekmedium induceert de differentiatie van deze cellen binnen 2 dagen. (Inzet: monolaagculturen van neurale stamcellen in aanwezigheid van bFGF voor vergelijking van de morfologie).
PowerPoint slide
In het CZS wordt een rol van endogene neurale stamcellen (eNSCs) in het genereren van nieuwe neuronen slechts erkend in twee gebieden, de subventriculaire zone en de dentate gyrus van de hippocampus. Toch zijn er populaties van eNSCs ontdekt in de hersenen en het ruggenmerg van volwassen knaagdieren en primaten. Een wijdverspreide populatie kan worden geïdentificeerd aan de hand van expressie van de transcriptiefactor Hes3.48 Dergelijke observaties hebben andere rollen voor eNSCs aan het licht gebracht dan celvervanging. Hes3 wordt gereguleerd door een niet-kanonieke vertakking van de Notch pathway, die bestaat uit de sequentiële activering van de Notch receptor, fosforylering van de signaalmolecule signaal transducer en activator van transcriptie 3 op zijn serine residu en inductie van Hes3 transcriptie.49 Andere factoren die deze pathway op verschillende punten reguleren, waaronder insuline,50 remmers van de p38MAP en Janus kinases, het Tie2 receptor ligand angiopoietine 2 en het cholera toxine51 , verhogen ook het aantal stamcellen. Afzonderlijk hebben sommige van deze factoren nadelige effecten op de vasculatuur (sommige zijn pro- en andere anti-angiogeen).52 Gecombineerd in een bepaald mengsel dat Delta4, angiopoietine2, insuline en een Janus kinase inhibitor bevat, wordt een maximale toename van het aantal eNSC’s bereikt met minimale vasculaire neveneffecten. Bij ratten die aan experimenteel Parkinsonisme werden onderworpen, bevordert een eenmalige injectie van dit mengsel een langdurige redding van dopamineneuronen, die anders zouden afsterven, en een herstel van de motoriek. Deze resultaten suggereren dat eNSCs een rol spelen in de bescherming van aangetaste neuronen. Veel van deze pathway-componenten kunnen worden gedeeld met het chromaffinecelsysteem en werkzaamheden hebben reeds een algemene betrokkenheid van de Notch-receptor en verschillende gemeenschappelijke transcriptiefactoren aangetoond (zie hierboven). Bovendien suggereert de sterk gevasculariseerde omgeving van de bijnier dat angiogene cytokinen ook de voorlopercellen van de bijnier kunnen reguleren. Hoewel de betrokkenheid van chromaffine voorlopercellen bij celaanvulling in de bijnier medulla is vastgesteld, suggereren gegevens van het CZS dat aanvullende regulerende en mogelijk pro-overleving rollen van chromaffinecellen in de bijnier medulla wachten op ontdekking.
Samenvattend, de lessen die we hebben geleerd van chromaffinecel biologie als een perifeer model voor de hersenen en hersenaandoeningen meer dan ooit van toepassing op de cutting edge onderzoek in de neurobiologie. Wij moeten het gebruik van dit model voortzetten en intensiveren om de mechanismen van regeneratie zowel in het CZS als in neuroendocrien weefsel te ontrafelen. Het zal niet alleen helpen om de basismechanismen van celvernieuwing en regeneratie te onderzoeken, maar ook om nieuwe strategieën te ontwerpen voor regeneratieve therapieën van de hersenen in de toekomst.