Oefentoets Biologie: Ziekten - genezing | VWO 4/VWO 5/VWO 6

1/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.
Zie figuur B 4708 van de bijlage.

In het Utrechtse Hubrecht Instituut voor ontwikkelingsbiologie en stamcelonderzoek hebben ze het als eerste klaargespeeld: uit één enkele darmstamcel van een muis hebben ze volwassen darmweefsel gekweekt dat zelfs na acht maanden nog intact was. Een functionerende minidarm, gekweekt uit menselijke darmwandcellen zou gebruikt kunnen worden om bij patiënten de beschadigde darm te herstellen.

Hoofdonderzoeker Hans Clevers is verrast over het gemak waarmee het ging.
"Het was een kwestie van de juiste voedingsstoffen", zegt hij. "Daarna ging alles vanzelf op de juiste plek zitten." Eerder werd gedacht dat stamcellen alleen in een zeer speciale omgeving konden uitgroeien tot stabiel darmweefsel.

In de afbeelding B 4708 is zo'n minidarm te zien, in elf dagen gegroeid uit één darmstamcel.
Uiteindelijk moet de gekweekte darm bij patiënten worden ingebracht. Daarvoor zijn nog wel een paar hordes te nemen. Zo is de huidige gekweekte darm nog maar een paar millimeter lang en bestaat hij alleen uit darmepitheel.

Om in vitro (buiten het lichaam) een stukje huid te kweken is, naast de juiste dosering van groeifactoren, meestal ook een drager met myofibroblasten vereist. De stukjes dunne darm in de experimenten van Clevers konden acht maanden lang groeien zonder deze drager. Kennelijk hebben de darmstamcellen een zelforganiserend vermogen. Een van de daarvoor benodigde eigenschappen is dat de cellen zich snel en vaak delen.

Noem nog twee eigenschappen van de darmstamcellen die noodzakelijk zijn voor het zelforganiserend vermogen tot een minidarm.




-

2/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.

Waaraan is onder de microscoop te zien dat er zelforganisatie plaatsvindt?

3/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.
Zie figuur C 419 van de bijlage.

In 2007 werd ontdekt dat in de dunne darm onderin elke ‘crypte van Lieberkühn' zes basale darmstamcellen zitten (zie de afbeelding). Omdat het darmepitheel sterk aan slijtage onderhevig is deelt zo'n darmstamcel zich elke dag.
De cellen in het darmepitheel bevinden zich op een soort roltrap. Wanneer een darmstamcel in de crypte zich deelt stapt één van beide dochtercellen op de roltrap. Deze dochtercel bevindt zich in de loop van haar korte leven steeds dichter bij de top van de darmvlok. Cellen die met de roltrap boven aankomen gaan over tot een vorm van geprogrammeerde celdood (apoptose). De tweede dochtercel blijft de rol van darmstamcel vervullen.
Tijdens de verplaatsing in de richting van de top van de darmvlok (het stijgen op de roltrap) ondergaan de dochtercellen van de stamcellen allerlei veranderingen.

Hoe wordt dit proces genoemd?
. Wat is de functie van dit proces in de dunne darm?

4/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.

Het dunne darmepitheel wordt bij de mens elke drie dagen vernieuwd. Dat is nodig vanwege de snelle slijtage van het weefsel.

Noem twee oorzaken van de sterke slijtage van het darmepitheel.

5/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.

Functies van de dunne darm zijn onder andere:

1. voortbewegen van voedsel door peristaltische bewegingen;
2. produceren van bepaalde verteringsenzymen;
3. opname van verteringsproducten uit de darmholte.

Welke van deze functies kunnen worden uitgevoerd door het weefsel van de gekweekte minidarm?

6/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.

De gekweekte minidarm is minder geschikt om beschadigd epitheel van de twaalfvingerige darm te vervangen, onder andere doordat er te weinig secretine en cholecystokinine gevormd zal worden.

Mogelijke veranderingen in het maag-darmkanaal zijn:

1. het maagportier is minder vaak open dan normaal;
2. vetten worden minder geëmulgeerd dan normaal;
3. de pH in de twaalfvingerige darm is lager dan normaal.

Welke van deze veranderingen zijn te verwachten wanneer de minidarm wordt getransplanteerd ter vervanging van het epitheel van de twaalfvingerige darm?

7/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.

"Wat we binnenkort kunnen, is een beetje weefsel uit een levende patiënt met darmproblemen nemen, dit weefsel verder kweken en dan weer terugzetten in de patiënt", vertelt Clevers. Voor het kweken van nieuwe organen kan ook gebruik gemaakt worden van embryonale stamcellen. Het maken van nieuwe darm met behulp van darmstamcellen heeft echter belangrijke voordelen boven het gebruik van embryonale stamcellen. Darmstamcellen zijn meestal direct uit de patiënt te verkrijgen. Embryonale stamcellen worden verkregen uit embryo's die overblijven uit IVF behandelingen, en daaraan kleven ethische bezwaren.

Noem nog een ander voordeel van het gebruik van darmstamcellen ten opzichte van het gebruik van embryonale stamcellen:
. voor de patiënt (met een beschadigde darm);
. voor het experiment (kweken van een minidarm).

8/8 Een minidarm kweken uit één stamcel.

De gekweekte darm zal heel wat proefdieren overbodig maken, verwacht Clevers, want in veel gevallen kunnen medicijnen net zo goed op los weefsel worden getest.
Wanneer medicijnen bedoeld zijn om via het maag-darmkanaal te worden opgenomen, moeten ze worden getest op mogelijke bijwerkingen.

Noem twee mogelijke bijwerkingen van medicijnen op het maag-darmkanaal die ook kunnen worden getest op de gekweekte minidarm.

1/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.
Zie figuur C 420 van de bijlage.

Bij de afdeling Humane Genetica van het Leids Universitair Medisch Centrum wordt gewerkt aan een therapie voor patiënten met de spierdystrofie van Duchenne. Duchenne spierdystrofie is een ernstige, erfelijke spierziekte die wordt veroorzaakt door mutaties in het DMD-gen. Als gevolg van deze mutaties wordt in de spiervezels van de patiënten geen functioneel dystrofine-eiwit gemaakt. Momenteel is er geen therapie beschikbaar voor Duchenne-patiënten en als gevolg van de toenemende spierzwakte belanden ze vaak voor hun twaalfde in een rolstoel en overlijden ze veelal voor hun dertigste.

De veelbelovende 'exon skip' therapie zou de spierafbraak bij Duchenne-patiënten kunnen vertragen en mogelijk zelfs kunnen stoppen.

Dystrofine is een groot eiwit met vier domeinen: het N-terminale domein (1), centrale domein (2), het dystroglycaan bindende domein (3) en het C-terminale domein (4). Inmiddels is bekend dat dystrofine nog redelijk kan functioneren wanneer tot 75% van het centrale domein van het eiwit is verdwenen, zolang de andere domeinen maar intact zijn.

Dystrofine vormt een belangrijk onderdeel van de verbinding tussen het celskelet in de spiervezel (actine) en het collageen in het bindweefsel buiten de spiervezel, zoals te zien is in de afbeelding C 420. Door deze verbinding hebben de spieren veerkracht en stevigheid.

Bij Duchenne-patiënten gaat de dystrofinefunctie verloren. Tijdens spiercontractie beschadigen hierdoor de spiervezels. Deze worden op den duur vervangen door vet- en bindweefselcellen, wat gepaard gaat met verlies van spierfunctie. Naast aantasting van de hartspier is ook de aantasting van bepaalde skeletspieren een belangrijke oorzaak van het op jonge leeftijd overlijden van Duchenne-patiënten.

Welke skeletspieren zijn dit?


-

2/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.

Gedurende het leven vermindert de massa van bepaalde eiwitten in de spieren van Duchenne-patiënten.
Drie functionele eiwitten in de spieren zijn actine, dystrofine en myosine.

Van welk type of welke typen van deze functionele eiwitten vermindert de massa bij Duchenne-patiënten?

3/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.

Om Duchenne-patiënten te helpen, is met behulp van gentherapie geprobeerd om de spiervezels dystrofine te laten produceren. Vanwege de zeer grote omvang van het gen (2,4 miljoen nucleotidenparen) is het onmogelijk om het in zijn geheel toe te voegen aan kernen van dystrofe spiercellen. Daarom is geprobeerd om alleen het coderende deel van het dystrofinegen, verpakt in een membraanstructuur (liposoom), plaatselijk in een spier in te brengen. Ook wordt gewerkt met speciale adenovirussen. Deze virussen kunnen genetisch materiaal transporteren dat niet groter is dan een derde van het totale coderende deel van het dystrofinegen.
Wanneer een dergelijk mini DMD-gen in de spiervezel terechtkomt, wordt er een verkort dystrofine-eiwit gemaakt. Het inbrengen van een mini DMD-gen in spiervezels van patiënten blijkt tot hoopgevende resultaten te leiden.

Wat is een voordeel van het gebruiken van een virus ten opzichte van het gebruik van liposomen bij gentherapie?

4/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.
Zie figuur B 4709 van de bijlage.

Het DMD-gen is het grootste gen van de mens dat tot nu toe bekend is. Het coderende deel van het gen is onderverdeeld in 79 exonen. Rijp mRNA wordt gemaakt door splicing van het pre-mRNA. Dit is een proces waarbij de 79 exonen tegen elkaar aan worden gezet door de intronen te verwijderen.
Duchenne spierdystrofie wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door drie typen mutaties in het DMD-gen: verdwijnen van exonen (deleties), verdubbelingen van exonen (duplicaties), en puntmutaties.

Bij sommige Duchenne-patiënten is exon 45 van het DMD-gen verdwenen, zoals schematisch in de afbeelding B 4709 is weergegeven.

In of aan welk celorganel vindt de splicing van het pre-mRNA plaats?

5/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.
Zie figuur B 4709 van de bijlage.

Tijdens de translatie worden telkens setjes van drie nucleotiden (tripletten) vertaald in een aminozuur. We noemen dit het leesraam. Als bij een deletie het aantal verdwenen nucleotiden niet deelbaar is door drie, zoals bij exon 45, verspringt het leesraam. Dit heeft meestal grote gevolgen voor het bij de translatie geproduceerde eiwit.
Zo heeft de deletie van exon 45 grote gevolgen voor het dystrofine dat door de Duchenne-patiënt wordt gemaakt.

Beschrijf met gebruik van de afbeelding B 4709 hoe de deletie van alleen het exon 45 kan leiden tot de vorming van een kort, niet functioneel dystrofine.

6/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.
Zie figuur B 4710 van de bijlage.

Bij het ontwikkelen van de ‘exon skip' therapie gebruiken de Leidse onderzoekers antisense oligoribonucleotiden (AON). Doel is herstellen van het genetische defect op mRNA-niveau, zodat een kleiner, maar deels functioneel dystrofine-eiwit gemaakt kan worden.

Sommige Duchenne-patiënten met een deletie van exon 45 blijken toch een klein beetje functioneel dystrofine te maken. Onderzoekers denken dat dit komt door het overslaan (skippen) van één of meerdere exonen tijdens de splicing van het dystrofine pre-mRNA. Hierdoor mist het rijpe mRNA, naast exon 45, nog één of meer exonen. Wanneer door deze alternatieve splicing het leesraam (dat door deletie van exon 45 verstoord is) wordt hersteld, kunnen kortere, gedeeltelijk functionerende dystrofine eiwitten gemaakt worden. Hierop is de
exon skip therapie gebaseerd.

Bij exon skip therapie voor patiënten met een exon 45 deletie wordt exon 46 tijdens de splicing afgeschermd met een stukje complementair RNA (AON).
Hierdoor komt ook exon 46 niet in het uiteindelijke mRNA terecht, maar wordt overgeslagen (zoals te zien is in de afbeelding B 4710). Deze behandeling leidt tot een herstel van het leesraam.
Het intacte exon 45 bestaat uit 176 nucleotidenparen en exon 46 uit 148,149 of 150 nucleotidenparen. In combinatie met bovenstaande gegevens is af te leiden uit hoeveel nucleotidenparen exon 46 exact bestaat.

Hoeveel nucleotidenparen bevat exon 46?






-

7/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.

Bij de exon skip therapie werd door de onderzoekers het verpakte DMD-gen in de bloedbaan van de patiënt geïnjecteerd en niet direct in de spieren.

Leg uit waarom dit effectiever is.

8/8 Exon skip therapie bij Duchenne spierdystrofie.

De exon skip therapie werkt niet wanneer bij een patiënt de ziekte van Duchenne wordt veroorzaakt door een mutatie in een van de eerste exons van het DMD-gen, het deel dat codeert voor het N-terminale domein.

Geef hiervoor een verklaring.