De wetenschap van slijm

Katharina Ribbeck heeft elke slijm-, booger- en loogie-grap in het boek gehoord. Maar haar onderzoek naar slijm onthult dat het een technisch wonder is - en een cruciale verdedigingslinie in het immuunsysteem. Door

• Anne Trafton archiefpagina

19 december 2018

Snot. Snot. Slijm. De smurrie die uit je neus druipt als je verkouden bent. Hoe je het ook noemt, slijm heeft een slechte reputatie als een onaangenaam afvalproduct, een teken van ziekte.

Maar ondanks zijn hoge ick-factor vervult de slijmerige substantie een opmerkelijk scala aan vitale functies. Het begrenst tenslotte meer dan 200 vierkante meter van ons lichaam - van onze mond tot het spijsverteringsstelsel, de urinewegen, de longen, de ogen en de baarmoederhals. Het smeert en hydrateert, laat ons slikken, bepaalt wat we proeven en ruiken, en filtert selectief voedingsstoffen, gifstoffen en levende cellen zoals bacteriën, zaadcellen en schimmels. Het is echt een geweldige barrière, zegt Katharina Ribbeck, universitair hoofddocent biologische technologie. Het stelt ons in staat om voedingsstoffen te integreren; het beschermt ons tegen ziekteverwekkers. Het is ook een groot obstakel voor de toediening van medicijnen. Maar we hebben geen idee hoe het werkt.

Ribbeck en haar studenten willen daar verandering in brengen. Door deze kleverige hydrogel te bestuderen, hoopt ze nieuwe manieren te bedenken om menselijke ziekten te diagnosticeren en te behandelen. In slijm zit veel informatie over onze gezondheid, zegt ze. Ons doel voor de komende jaren is om deze onderbenutte bron van bio-informatie aan te boren en te gebruiken.

Een kampioen voor slijm
Ribbeck was aanvankelijk niet van plan om haar onderzoek op slijm te richten. Aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland studeerde ze biologie en biochemie, en voor haar laatste jaar ging ze naar de Universiteit van Californië in San Diego om te werken aan haar afstudeerscriptie in neurobiologie. Toen ze terugkeerde naar Heidelberg om af te studeren, begon ze de biologie van de nucleaire porie te bestuderen - een kanaal dat de communicatie tussen de celkern en de rest van de cel regelt.

Slijm, zegt ze, was nooit op mijn radar op de middelbare school. Maar net als slijm fungeren kernporiën ook als selectieve barrières: ze laten sommige deeltjes door terwijl ze andere blokkeren.

Na het afronden van haar doctoraat was Ribbeck van plan om een ​​onderzoeksgroep in Duitsland te starten en haar studie van de nucleaire porie voort te zetten. Maar toen stelde een vriend van de Harvard Medical School voor dat ze een jaar in zijn lab zou werken. Het zijn de dingen die je niet doet waar je spijt van krijgt, zegt ze. Dus besloot ik daarheen te gaan, anticiperend op een interessant maar niet echt levensveranderend jaar.

Terwijl hij daar 2007 als gastwetenschapper doorbracht, hoorde Ribbeck over een Harvard-beurs die een laboratorium, startfinanciering en status als onafhankelijk onderzoeker zou opleveren. De vangst? Aanvragers moesten voorstellen om een ​​nieuw vakgebied te starten.

Slijm werd toen niet goed bestudeerd, maar het was bekend dat het een sleutelrol speelde bij het in stand houden van de gezondheid. Ribbeck pleitte voor het starten van een slijmlab - en kreeg de beurs.

Al vroeg tijdens haar tijd aan Harvard realiseerde ze zich dat de studie van slijm zou profiteren van de expertise en hulpmiddelen die worden ontwikkeld in het MIT's Department of Biological Engineering - op het gebied van weefselwetenschap en -engineering, microfluïdica en meer. Ze kwam in 2010 bij de faculteit en verdiende in 2017 een vaste aanstelling.

Ik was meteen onder de indruk van de krachtige vonk van creativiteit die Katharina uitte, zegt Douglas Lauffenburger, het afdelingshoofd. Het onderwerp van haar onderzoeksinteresses leek aanvankelijk nogal eigenaardig, maar haar articulatie van het brede belang ervan in de microbiologie en geneeskunde, en van haar doel om het fundamenteel te begrijpen op manieren die zouden kunnen leiden tot het ontwerp van waardevolle technologieën, was zeer overtuigend.

Infectie afweren
Een van de fenomenen die Ribbeck heeft onderzocht, is dat slijm zeer succesvol is in het temmen van normaal pathogene microben. Tot voor kort dachten wetenschappers dat dit simpelweg kwam omdat het als een mechanische barrière fungeerde en bacteriën en andere ziekteverwekkers opving. Uit het werk van Ribbeck blijkt echter dat slijm een ​​veel genuanceerder rol speelt.

De belangrijkste bouwstenen van slijm zijn mucinen - lange, flessenborstelachtige eiwitten waaraan veel suikermoleculen, glycanen genaamd, zijn vastgemaakt. En mucinen, ontdekte Ribbeck, verstoren eigenlijk veel belangrijke functies van infectieuze bacteriën. In de aanwezigheid van mucinen worden de eigenschappen die deze ziekteverwekkers virulent maken aanzienlijk gedownreguleerd, zegt ze. Dat omvat de afscheiding van gifstoffen, het vermogen om met elkaar te kletsen en het vermogen om zich aan celoppervlakken te hechten.

Als die krachten zijn uitgeschakeld, kunnen bacteriën zich niet langer op een oppervlak koloniseren om hardnekkige slijmerige lagen te vormen, biofilms genaamd, die vaak schadelijker zijn dan de cellen afzonderlijk: ze kunnen een breed scala aan gezondheidsproblemen veroorzaken, waaronder tandholten en zweren, en kan fataal zijn voor mensen met cystische fibrose.

Het laboratorium van Ribbeck ontdekte dit door slijm uit een varkensmaag te zuiveren om een ​​mucine genaamd MUC5AC te isoleren, die verwant is aan een mucine die wordt aangetroffen in de menselijke luchtwegen en maag. De onderzoekers creëerden vervolgens driedimensionale matrices met en zonder de mucine en plaatsten infectieuze bacteriën genaamd P. aeruginosa in beide. De bacteriën in de matrix zonder MUC5AC hechten zich aan het oppervlak van de matrix en vormen dichte biofilms. In de MUC5AC-matrix werden geen biofilms gevormd. Maar toen de onderzoekers een gen in de bacteriën verwijderden waardoor ze konden blijven bewegen, ontdekten ze iets interessants: de infectieuze bacteriën in de MUC5AC-matrix klonterden samen en bootsten het materiaal na dat zich opbouwt om abnormaal dik slijm te produceren bij cystische fibrose. Wat dat betekende, ontdekte Ribbeck, was dat hoewel mucine dingen als stof en andere ingeademde deeltjes vasthoudt, het in het geval van de bacteriën het tegenovergestelde doet, ze in beweging houden zodat ze geen biofilms kunnen vormen. Haar groep ontdekte dat hetzelfde gold voor andere soorten microben, waaronder: candida .

Het onderzoek van Ribbeck onthulde ook dat glycanen - de complexe suikermoleculen in mucine - de sleutel zijn tot het vermogen om pathogenen te verijdelen. Er werd aangenomen dat hun primaire rol was om mucinepolymeren stijf te maken, en haar laboratorium en anderen hadden glycanen geïsoleerd om te tellen hoeveel verschillende soorten er waren. Mucinen blijken honderden verschillende glycanen te bevatten. Maar naast ze te tellen, vergeleek Ribbeck ook de glycanen in mucine in verschillende delen van het lichaam - en begon te onderzoeken wat ze eigenlijk doen. Door natuurlijke mucinen te vergelijken met mucinen waarvan de glycanen zijn verwijderd, ontdekte ze dat deze suikers essentieel zijn voor het vermogen van mucinen om bacteriën af te weren en te voorkomen dat ze zich hechten aan oppervlakken. Aanvankelijk verrast door deze bevinding, realiseerde ze zich dat glycanen in moedermelk een vergelijkbare functie vervullen, door baby's te helpen gezond te blijven door als oplosbare receptoren te dienen die de ingenomen pathogenen in wezen afleiden, waardoor ze zich niet kunnen hechten waar ze een infectie kunnen veroorzaken. In zekere zin, zegt ze, is slijm als moedermelk voor volwassenen.

Ribbeck onderzoekt nu de specifieke functies van de honderden glycanen die zijn geëvolueerd om op verschillende manieren te interageren met verschillende pathogenen en deze uit te schakelen. Ze denkt dat mucinen een enorme bibliotheek van verschillende moleculen bevatten die klaar staan ​​om te worden gecontroleerd om alle microben aan te pakken, of het nu virussen, bacteriën, schimmels of parasieten zijn. Stel je voor hoe mooi dat is, zegt ze.

Ingenieurs zijn al lang geïnteresseerd in het ontwerpen van materialen die slijm nabootsen, grotendeels vanwege het smerende vermogen. De intrigerende antimicrobiële eigenschappen die het laboratorium van Ribbeck heeft ontdekt, hebben er echter toe geleid dat veel onderzoekers zijn gaan werken aan synthetische versies van mucinen voor mogelijk gebruik bij de behandeling of preventie van infectieziekten. Sommige voorlopige onderzoeken uit het laboratorium van Ribbeck suggereren dat mucinen effectief wonden kunnen behandelen die zijn geïnfecteerd met bacteriën die resistent zijn tegen traditionele antibiotica.

Een diagnostisch hulpmiddel
Het laboratorium van Ribbeck analyseert ook hoe plakkerigheid en andere biofysische eigenschappen van slijm veranderen tijdens ziekte , wat onderzoekers zou kunnen helpen biomarkers te ontdekken die kunnen worden gebruikt om veel verschillende ziekten te diagnosticeren. De afgelopen jaren heeft ze onderzoeken gepubliceerd waaruit blijkt dat veranderingen in het baarmoederhalsslijm van zwangere vrouwen het risico op vroegtijdige bevalling aan het licht kunnen brengen.

Meer dan 10% van de wereldwijd geboren baby's arriveert vóór de voldragen zwangerschap, gedefinieerd als 37 weken zwangerschap, maar er was geen betrouwbare manier om vroeggeboorte te voorspellen. In de hoop een bruikbare voorspeller te vinden, analyseerde Ribbeck de chemische en mechanische eigenschappen van baarmoederhalsslijm. Ze ontdekte dat het slijm van vrouwen met een hoog risico op vroege bevalling mechanisch zwakker, elastischer, beter doorlaatbaar en minder hechtend is. Vroeggeboorte kan optreden omdat het baarmoederhalsslijm vatbaarder is voor invasie door microben die een infectie kunnen veroorzaken.

Andere aandoeningen die slijm veranderen, zijn onder meer spijsverteringsziekten zoals de ziekte van Crohn en colitis ulcerosa, evenals aandoeningen van de luchtwegen. De heilige graal van de diagnostiek, zegt Ribbeck, is om veranderingen in de speekselsamenstelling te koppelen aan ziekten die de slijmvliesoppervlakken door het hele lichaam aantasten.

Als je afwijkende slijmproductie in je mond hebt, bestaat de kans dat dit ook geldt voor andere delen van het lichaam, zegt ze. Dus misschien kunnen we uit speeksel ziektes van afgelegen slijmvliezen oppikken. Dat zal heel spannend zijn, want dat is natuurlijk niet-invasief en toch informatief.

Grossologie 101
Ribbeck zegt dat haar onderzoek een natuurlijk interessant onderwerp is voor kinderen, waarvan ze gebruik maakt om ze enthousiast te maken voor wetenschap. Tijdens de Grossology-zomersessies die worden aangeboden in het Museum of Science in Boston, leren zij en haar leerlingen basis- en middelbare scholieren hoe ze polymeernetwerken kunnen maken, met slijm als hun favoriete materiaal. De kinderen leren ook over de unieke barrière-eigenschappen van slijm en waarom het zo slijmerig aanvoelt.

De bedoeling hier is om echt een veld te introduceren bij de volgende generaties, zodat ze opgroeien met het besef dat slijm geen afvalproduct is. Het is een integraal onderdeel van onze fysiologie en een heel belangrijk onderdeel van onze gezondheid, zegt ze.

Ze werkt ook aan een kinderboek met in de hoofdrol een van vorm veranderend personage gemaakt van slijm, dat de vele rollen benadrukt die het in ons lichaam speelt.

Kinderen zijn echt gefascineerd door slijm, en ik denk dat een deel van die fascinatie misschien niet verdwijnt voor volwassenen, zegt Ribbeck. Het andere dat het intrigerend maakt voor zoveel mensen, waaronder ikzelf, is een verrassingselement als je zulke voortreffelijke en elegante stukjes techniek vindt in iets dat zo gewoon is als slijm.

zich verstoppen