Les 10
In vitro models for ischemic stroke research
1. Introduction
Ischemic stroke
Er zijn verschillende soorten beroertes, waarvan de meeste worden veroorzaakt door een
trombus, die de bloedtoevoer naar de hersenen verstoort, wat leidt tot een ischemische
beroerte. Wanneer de bloedstroom wordt afgesloten, ontvangen neuronen geen zuurstof en
voedingsstoffen, wat een keten van gebeurtenissen in gang zet die leidt tot hersenschade. Dit
omvat excitotoxiciteit, waarbij neuronen oncontroleerbaar en willekeurig beginnen te vuren,
wat leidt tot overstimulatie.
Daarnaast komen mechanismen zoals celdood, neuro-inflammatie en oxidatieve stress in het
spel, samen met de verstoring van de bloed-hersenbarrière. Samen dragen deze processen
bij aan significante hersenschade.
In de ischemische kern beginnen de meest ernstig getroffen cellen binnen enkele minuten na
de beroerte te sterven, met onomkeerbare schade. Rond deze kern bevindt zich de penumbra,
waar neuronen beschadigd zijn maar nog steeds levensvatbaar. Deze neuronen kunnen
mogelijk worden gered door neuroprotectieve therapieën als de blokkade wordt verwijderd of
als geschikte behandelingen worden toegepast.
Current treatment for stroke
De belangrijkste therapie voor een beroerte bestaat momenteel uit het verwijderen van de
bloedstolsel. Dit kan op twee manieren worden gedaan: thrombolytica, die intraveneus worden
toegediend, of thrombectomie, een chirurgische procedure om het stolsel te verwijderen. Beide
behandelingen hebben echter zeer smalle therapeutische tijdvensters. Thrombolytica moeten
binnen 4,5 uur na het begin van de beroerte worden toegediend, terwijl thrombectomie binnen
6 uur moet worden uitgevoerd. Hierdoor profiteert slechts een klein aantal patiënten van deze
therapieën, waardoor de meerderheid onbehandeld blijft.
Neuroprotection as treatment strategy
Onderzoekers verkennen alternatieve behandelingsbenaderingen die gericht zijn op het
redden van de neuronen in de penumbra, die beschadigd maar nog levensvatbaar zijn.
Neuroprotectie is naar voren gekomen als een belangrijke behandelingsstrategie in deze
context. De focus ligt op het ontwikkelen van therapieën die deze neuronen kunnen targeten
en redden, om zo de hersenfunctie te behouden en schade na een beroerte te minimaliseren.
Hoeveel kandidaten voor neuroprotectieve geneesmiddelen zijn er geïdentificeerd in
decennia van onderzoek naar ischemische beroertes?
Meer dan 1000 kandidaten voor neuroprotectieve geneesmiddelen zijn geïdentificeerd in
preklinische setting.
Hoeveel van deze kandidaten voor neuroprotectieve geneesmiddelen hebben geleid tot
een effectieve therapie voor ischemische beroerte?
Geen.
Reasons for unsuccessful translation
Het gebruik van dieren in preklinische settings is essentieel voor het testen van bepaalde
geneesmiddelen; het is echter belangrijk om de verschillen tussen dieren en mensen te
1
, erkennen. Typisch zijn de dieren die in deze studies worden gebruikt jong en vrij van
comorbiditeiten zoals obesitas of diabetes, terwijl typische beroertepatiënten vaak ouder zijn
en mogelijk deze onderliggende gezondheidsproblemen hebben.
Een andere uitdaging doet zich voor in klinische proeven, met name wat betreft de timing van
de toediening van neuroprotectieve geneesmiddelen. Veel van deze geneesmiddelen vereisen
een therapeutisch tijdvenster, vaak binnen 6 uur na het begin van de beroerte. In klinische
settings kan het echter moeilijk zijn om precies te bepalen wanneer de beroerte is begonnen.
Als gevolg hiervan kunnen veel geneesmiddelen als ineffectief worden beschouwd, simpelweg
omdat ze niet binnen het juiste tijdsbestek zijn toegediend, ook al zouden ze mogelijk gewerkt
hebben als ze eerder waren gegeven.
Bovendien is er voortdurende discussie over de voorspellende kracht van in vitro-modellen in
het vertegenwoordigen van de menselijke hersenen. Dit roept vragen op over hoe goed deze
modellen menselijke omstandigheden kunnen simuleren en of ze werkelijk effectief zijn voor
het voorspellen van de uitkomsten van neuroprotectieve therapieën bij mensen.
2. Modelling Ischaemic stroke in vitro
In vitro vs. in vivo models
In Vitro Modellen:
• Voorkeur voor het Bestuderen van Basismechanismen: In vitro-systemen zijn ideaal
voor het onderzoeken van fundamentele biologische processen en cel-specifieke
reacties.
• Vereenvoudigde Omgeving: Deze modellen bieden een eenvoudigere setting,
waardoor onderzoekers specifieke variabelen kunnen isoleren en bestuderen zonder
de complexiteit van een volledig organisme.
• Zeer Gecontroleerde Voorwaarden: In vitro-studies maken een nauwkeurige controle
over experimentele variabelen mogelijk, wat zorgt voor consistentie en
betrouwbaarheid in de resultaten.
• Schaalbaarheid: Ze vergemakkelijken high-throughput screening, waardoor het
mogelijk is om talrijke verbindingen of omstandigheden gelijktijdig te testen.
• Kosteneffectief: In vitro-modellen vereisen over het algemeen minder middelen en zijn
goedkoper in vergelijking met in vivo-studies.
In Vivo Modellen:
• Modeleren van Complexe Pathofysiologie: In vivo-studies zijn essentieel voor het
begrijpen van de ingewikkelde interacties binnen een volledig levend organisme,
inclusief de effecten van intacte bloedvaten en bloedstroom tijdens een ischemische
beroerte.
• Realistische Biologische Context: Ze bieden inzicht in hoe verschillende fysiologische
systemen met elkaar interageren, waardoor onderzoekers de impact van
comorbiditeiten en andere factoren kunnen beoordelen die niet aanwezig zijn in in vitro-
studies.
Inducing ischemia-like conditions in vitro
Er zijn verschillende methoden om ischemie-achtige omstandigheden in vitro te induceren,
waardoor onderzoekers de effecten van zuurstof- en glucose-tekort op cellen kunnen
bestuderen:
Zuurstof-Glucose Deprivatie (OGD):
• Proces: Dit is de meest relevante methode om ischemische omstandigheden te
simuleren. Cellen worden gekweekt in een medium dat wordt vervangen door een
medium zonder glucose en vervolgens in een hypoxische kamer met lage
zuurstofniveaus geplaatst. Dit bootst de tekortkoming van zuurstof en glucose na die
optreedt tijdens een beroerte.
2
In vitro models for ischemic stroke research
1. Introduction
Ischemic stroke
Er zijn verschillende soorten beroertes, waarvan de meeste worden veroorzaakt door een
trombus, die de bloedtoevoer naar de hersenen verstoort, wat leidt tot een ischemische
beroerte. Wanneer de bloedstroom wordt afgesloten, ontvangen neuronen geen zuurstof en
voedingsstoffen, wat een keten van gebeurtenissen in gang zet die leidt tot hersenschade. Dit
omvat excitotoxiciteit, waarbij neuronen oncontroleerbaar en willekeurig beginnen te vuren,
wat leidt tot overstimulatie.
Daarnaast komen mechanismen zoals celdood, neuro-inflammatie en oxidatieve stress in het
spel, samen met de verstoring van de bloed-hersenbarrière. Samen dragen deze processen
bij aan significante hersenschade.
In de ischemische kern beginnen de meest ernstig getroffen cellen binnen enkele minuten na
de beroerte te sterven, met onomkeerbare schade. Rond deze kern bevindt zich de penumbra,
waar neuronen beschadigd zijn maar nog steeds levensvatbaar. Deze neuronen kunnen
mogelijk worden gered door neuroprotectieve therapieën als de blokkade wordt verwijderd of
als geschikte behandelingen worden toegepast.
Current treatment for stroke
De belangrijkste therapie voor een beroerte bestaat momenteel uit het verwijderen van de
bloedstolsel. Dit kan op twee manieren worden gedaan: thrombolytica, die intraveneus worden
toegediend, of thrombectomie, een chirurgische procedure om het stolsel te verwijderen. Beide
behandelingen hebben echter zeer smalle therapeutische tijdvensters. Thrombolytica moeten
binnen 4,5 uur na het begin van de beroerte worden toegediend, terwijl thrombectomie binnen
6 uur moet worden uitgevoerd. Hierdoor profiteert slechts een klein aantal patiënten van deze
therapieën, waardoor de meerderheid onbehandeld blijft.
Neuroprotection as treatment strategy
Onderzoekers verkennen alternatieve behandelingsbenaderingen die gericht zijn op het
redden van de neuronen in de penumbra, die beschadigd maar nog levensvatbaar zijn.
Neuroprotectie is naar voren gekomen als een belangrijke behandelingsstrategie in deze
context. De focus ligt op het ontwikkelen van therapieën die deze neuronen kunnen targeten
en redden, om zo de hersenfunctie te behouden en schade na een beroerte te minimaliseren.
Hoeveel kandidaten voor neuroprotectieve geneesmiddelen zijn er geïdentificeerd in
decennia van onderzoek naar ischemische beroertes?
Meer dan 1000 kandidaten voor neuroprotectieve geneesmiddelen zijn geïdentificeerd in
preklinische setting.
Hoeveel van deze kandidaten voor neuroprotectieve geneesmiddelen hebben geleid tot
een effectieve therapie voor ischemische beroerte?
Geen.
Reasons for unsuccessful translation
Het gebruik van dieren in preklinische settings is essentieel voor het testen van bepaalde
geneesmiddelen; het is echter belangrijk om de verschillen tussen dieren en mensen te
1
, erkennen. Typisch zijn de dieren die in deze studies worden gebruikt jong en vrij van
comorbiditeiten zoals obesitas of diabetes, terwijl typische beroertepatiënten vaak ouder zijn
en mogelijk deze onderliggende gezondheidsproblemen hebben.
Een andere uitdaging doet zich voor in klinische proeven, met name wat betreft de timing van
de toediening van neuroprotectieve geneesmiddelen. Veel van deze geneesmiddelen vereisen
een therapeutisch tijdvenster, vaak binnen 6 uur na het begin van de beroerte. In klinische
settings kan het echter moeilijk zijn om precies te bepalen wanneer de beroerte is begonnen.
Als gevolg hiervan kunnen veel geneesmiddelen als ineffectief worden beschouwd, simpelweg
omdat ze niet binnen het juiste tijdsbestek zijn toegediend, ook al zouden ze mogelijk gewerkt
hebben als ze eerder waren gegeven.
Bovendien is er voortdurende discussie over de voorspellende kracht van in vitro-modellen in
het vertegenwoordigen van de menselijke hersenen. Dit roept vragen op over hoe goed deze
modellen menselijke omstandigheden kunnen simuleren en of ze werkelijk effectief zijn voor
het voorspellen van de uitkomsten van neuroprotectieve therapieën bij mensen.
2. Modelling Ischaemic stroke in vitro
In vitro vs. in vivo models
In Vitro Modellen:
• Voorkeur voor het Bestuderen van Basismechanismen: In vitro-systemen zijn ideaal
voor het onderzoeken van fundamentele biologische processen en cel-specifieke
reacties.
• Vereenvoudigde Omgeving: Deze modellen bieden een eenvoudigere setting,
waardoor onderzoekers specifieke variabelen kunnen isoleren en bestuderen zonder
de complexiteit van een volledig organisme.
• Zeer Gecontroleerde Voorwaarden: In vitro-studies maken een nauwkeurige controle
over experimentele variabelen mogelijk, wat zorgt voor consistentie en
betrouwbaarheid in de resultaten.
• Schaalbaarheid: Ze vergemakkelijken high-throughput screening, waardoor het
mogelijk is om talrijke verbindingen of omstandigheden gelijktijdig te testen.
• Kosteneffectief: In vitro-modellen vereisen over het algemeen minder middelen en zijn
goedkoper in vergelijking met in vivo-studies.
In Vivo Modellen:
• Modeleren van Complexe Pathofysiologie: In vivo-studies zijn essentieel voor het
begrijpen van de ingewikkelde interacties binnen een volledig levend organisme,
inclusief de effecten van intacte bloedvaten en bloedstroom tijdens een ischemische
beroerte.
• Realistische Biologische Context: Ze bieden inzicht in hoe verschillende fysiologische
systemen met elkaar interageren, waardoor onderzoekers de impact van
comorbiditeiten en andere factoren kunnen beoordelen die niet aanwezig zijn in in vitro-
studies.
Inducing ischemia-like conditions in vitro
Er zijn verschillende methoden om ischemie-achtige omstandigheden in vitro te induceren,
waardoor onderzoekers de effecten van zuurstof- en glucose-tekort op cellen kunnen
bestuderen:
Zuurstof-Glucose Deprivatie (OGD):
• Proces: Dit is de meest relevante methode om ischemische omstandigheden te
simuleren. Cellen worden gekweekt in een medium dat wordt vervangen door een
medium zonder glucose en vervolgens in een hypoxische kamer met lage
zuurstofniveaus geplaatst. Dit bootst de tekortkoming van zuurstof en glucose na die
optreedt tijdens een beroerte.
2
