In vitro-model van de koeienuier

3 jaar geleden

Welk effect heeft een dieet of een medicijn van een zogende koe op het ontwikkelende immuunsysteem van haar kalf en/of de darmgezondheid van de menselijke consument? Kan een moeder haar baby blijven voeden terwijl ze medicijnen gebruikt? Bij de Faculteit Diergeneeskunde van de Universiteit Utrecht hebben prof. Aletta Kraneveld en prof. Ronette Gehring de handen ineen geslagen om een in vitro-model van de koeienuier te ontwikkelen. Met dit model willen ze meer inzicht krijgen van de bloed-melkbarrière, die relevant is voor mensen, koeien en andere zoogdieren.

Er zijn veel barrières in het lichaam, zoals de darmbarrière en de bloed-hersenbarrière, maar er is weinig bekend over de zogenaamde bloed-melkbarrière. Dit komt gedeeltelijk doordat het moeilijk is om in vivo-experimenten bij mensen uit te voeren, omdat daar lacterende moeders voor nodig zijn. Daarom zijn Gehring en Kraneveld het erover eens dat het maken van een in vitro-kweekmodel met borstepitheelcellen van belang is om dit onderzoek verder te stimuleren.

Om het model te construeren, gebruiken de onderzoekers uierweefsel dat ze van het slachthuis krijgen om borstepitheelcellen uit te halen. Met die cellen wordt verder gekweekt in het lab, waar de barrièrefunctie en het lactatieproces kunnen worden bestudeerd. Het gebruik van een in vitro-model met uiercellen van koeien ligt om verschillende redenen voor de hand. Gehring: "Vanuit veterinair perspectief is het belangrijk om de lactatiemechanismen van de koe beter te begrijpen. En als je echt moleculaire mechanismen op celniveau wilt bestuderen, dan zul je een goed celcultuurmodel nodig hebben.

Hiermee zijn wij in staat om de factoren te bestuderen die van invloed kunnen zijn op de uitscheidperiode van een medicijn bij een zogende koe. Of hoe blootstelling aan exogene chemicaliën de samenstelling en kwaliteit van de melk kan beïnvloeden. Maar de koe is ook een model voor de mens, voor wie de bloed-melkbarrière ook relevant is. Vooral met betrekking tot de vroege levensontwikkeling. Er is ook een praktisch voordeel bij het gebruik van de koe als model: koeien produceren hoe dan ook veel melk. Er is altijd voldoende melk om te gebruiken voor onderzoek.

In vivo, in vitro en in silico komen in modellering samen
In vivo, in vitro en in silico komen in modellering samen

Toepassing van 3R door in vitro, in vivo en in silico te combineren

Het model dat nu ontwikkeld is, is gebaseerd op epitheelcellen van de runderuier, die zodanig zijn gekweekt dat ze een membraan vormen dat de bloed-melk barrière nabootst. Talloze experimenten zijn denkbaar waaraan dit bijdraagt. Zo zou de invloed van het dieet van de koe op de ontwikkeling van het kalf via de melk kunnen worden bestudeerd. Verder is het ook interessant om de invloed van het dieet op de melkkwaliteit voor consumentendoeleinden te bestuderen. Verschillende in vivo-studies zijn al uitgevoerd bij muizen, waarbij zogende muizen een specifiek dieet kregen, waarna het effect van dat dieet op het immuunsysteem van het nageslacht werd onderzocht.

"Dergelijke onderzoeken zijn echter vaak niet meer dan een gok. Het is daarom beter om in plaats daarvan een in-vitromodel te gebruiken," zegt Kraneveld. "Mijn droom is om een geïntegreerd in vitro-model te hebben van zowel borstepitheelcellen als darmepitheelcellen, waarin we kunnen bestuderen hoe vloeistoffen met elkaar communiceren via deze barrières. Omdat dit de eerste verdedigingslinies zijn van het immuunsysteem, kunnen we met dit model het effect van voeding tijdens de lactatie op de ontwikkeling van het immuunsysteem en de hersenen van de nakomelingen bestuderen. "Het mooie van een goed in vitro-model is dat een dierproef soms niet meer nodig is omdat het systeem beter wordt begrepen."

Schematische figuur van de in vivo uier, die de bloed-melkbarrière beschrijft
Schematische figuur van de in vivo uier, die de bloed-melkbarrière beschrijft

Naast het in vitro-model zullen Gehring en Kraneveld wiskundige modellen toevoegen. Gehring: "In silico-modellen zijn erg handig bij het interpreteren van gegevens en het begrijpen van een systeem. De eerste stap is het opzetten van een kwantitatief model door de belangrijkste elementen van een systeem te vertalen naar vergelijkingen, waarmee je de uitkomsten van specifieke experimenten kunt voorspellen. Vervolgens voer je de meest geschikte experimenten uit om gegevens te genereren die je kunt vergelijken met de voorspellingen."

Kraneveld en Gehring hadden niet specifiek de 3 V's in gedachten bij het opstellen van het oorspronkelijke plan voor dit model. Gehring: "Het is eigenlijk interessant hoe ons onderzoek binnen de 3 V's past. Bovenal willen we een model hebben om de complexiteit van de bloed-melkmechanismen te begrijpen. We zijn bijvoorbeeld geïnteresseerd in de manier waarop geneesmiddelen en vervuiling in de melk worden uitgescheiden en hoe ze op elkaar inwerken en concurreren met voedingsstoffen. Als je een beter begrip hebt van een systeem, lever je een bijdrage aan de 3 V's, omdat je dan goed ontworpen experimenten zult uitvoeren die het meest relevant zijn voor je onderzoeksvraag. Verder vind ik het ook belangrijk om van nature relevante modellen te gebruiken, met betrekking tot de 3 V's. De koe is een natuurlijk model voor borstvoeding en daarom proberen we er het beste van te maken. Bovendien consumeren we zo veel zuivelproducten dat het belangrijk is om de mechanismen nog beter te begrijpen. Dat begint met het opzetten van een solide celcultuurmodel, waarna je de resultaten in vivo kunt verifiëren. "

One Health in een breed perspectief

De ontwikkeling van dit in vitro-model is belangrijk in de context van One Health. "Tenslotte drinken mensen in de westerse wereld koemelk en consumeren ze veel andere zuivelproducten. Sommige componenten uit koeienbloed komen via de bloed-melkbarrière in de melk terecht. Dus de volgende vragen zijn: welk effect hebben bepaalde bestanddelen van melk op de darm van de mens en daarbuiten? Hebben ze ook invloed op de darmbarrièrefunctie en dus op het immuunsysteem? ", Legt Kraneveld uit. "Ik heb binnen de faculteit Diergeneeskunde de rol om een brug te slaan tussen de veterinaire en farmaceutische wetenschappen. We ontwikkelen dit model voor koeien, maar ook voor mensen. De bloed-melkbarrière is immers erg belangrijk met betrekking tot zuivelproducten in onze voedselketen. Voor mij is het opwindend om aan een One Health-onderwerp te werken dat heel anders is dan onderwerpen als antibioticaresistentie en zoönose. Het biedt een veel breder perspectief op One Health."

Toekomstige stappen

Gehring en Kraneveld zijn druk bezig geweest met het opzetten van het model. "Borstklierepitheelcellen zijn vrij moeilijk te kweken in een celcultuur omdat het epitheel metabolisch actief is en de functie ervan sterk afhankelijk is van hormonen", legt Gehring uit. "In feite wil je een model hebben voor de complexiteit van dracht, bevalling en lactatie in een periode van ongeveer 2 weken, wat de gemiddelde looptijd is voor een in vitro-experiment. Als we erin slagen de celcultuur te laten groeien, verwacht ik dat we de eerste experimenten in ongeveer zes maanden kunnen starten."
Als het model goed werkt, kunnen Kraneveld en Gehring de in vivo-experimenten en veldstudies koppelen aan het celcultuurmodel, om echt te begrijpen wat er in de in vivo-situatie gebeurt. Op die manier zullen ze vertrouwen krijgen in hun celcultuurmodel. Kraneveld: "Met betrekking tot veiligheid en gezondheidseffecten moeten we ook nieuwe compartimenten in melk identificeren waar omgevingsverontreinigingen worden 'opgeslagen'. We willen tegenwoordig allemaal biologische melk, maar de vraag is: hoe gezond is biologische melk eigenlijk? Dat is een vraag die we kunnen aanpakken met dit model in de toekomst. "

Referenties

  1. Li M, Gehring R, Riviere JE, Lin Z. Probabilistic Physiologically Based Pharmacokinetic Model for Penicillin G in Milk From Dairy Cows Following Intramammary or Intramuscular Administrations. Toxicol Sci. 2018 Jul 1;164(1):85-100. doi: 10.1093/toxsci/kfy067. PubMed PMID: 29945226.
  2. Lainesse C, Gehring R, Pasloske K, Smith G, Soback S, Wagner S, Whittem T. Challenges associated with the demonstration of bioequivalence of intramammary products in ruminants. J Vet Pharmacol Ther. 2012 Apr;35 Suppl 1:65-79. doi: 10.1111/j.1365-2885.2012.01375.x. PubMed PMID: 22413793.
  3. Al-Bataineh MM, Van Der Merwe D, Schultz BD, Gehring R. Molecular and functional identification of organic anion transporter isoforms in cultured bovine mammary epithelial cells (BME-UV). J Vet Pharmacol Ther. 2012 Jun;35(3):209-15. doi: 10.1111/j.1365-2885.2011.01309.x. Epub 2011 May 30. PubMed PMID: 21623837; PubMed Central PMCID: PMC3165114.
  4. Al-Bataineh MM, van der Merwe D, Schultz BD, Gehring R. Tumor necrosis factor alpha increases P-glycoprotein expression in a BME-UV in vitro model of mammary epithelial cells. Biopharm Drug Dispos. 2010 Nov;31(8-9):506-15. doi: 10.1002/bdd.731. Epub 2010 Oct 22. PubMed PMID: 21104926; PubMed Central PMCID:PMC3034978.
  5. Al-Bataineh MM, van der Merwe D, Schultz BD, Gehring R. Cultured mammary epithelial monolayers (BME-UV) express functional organic anion and cation transporters. J Vet Pharmacol Ther. 2009 Oct;32(5):422-8. doi: 10.1111/j.1365-2885.2009.01057.x. PubMed PMID: 19754907; PubMed Central PMCID: PMC2747106.
  6. Smith GW, Gehring R, Riviere JE, Yeatts JL, Baynes RE. Elimination kinetics of ceftiofur hydrochloride after intramammary administration in lactating dairy cows. J Am Vet Med Assoc. 2004 Jun 1;224(11):1827-30. PubMed PMID: 15198270.
  7. Gehring R, Smith GW. An overview of factors affecting the disposition of intramammary preparations used to treat bovine mastitis. J Vet Pharmacol Ther. 2006 Aug;29(4):237-41. Review. PubMed PMID: 16846460