De cel in het organisme; over leven en dood
Open

Stand van zaken
29-12-1988
J. James

Een volwassen mens van circa 75 kg bestaat uit ongeveer 60 x 1012 (60 biljoen) cellen, gedifferentieerd naar 200 celtypen, en uit extracellulaire matrix, die vezelig, geleiachtig of vloeibaar kan zijn. Die cellen zijn te beschouwen als organisatie-eenheden van het organisme, een betere term dan de in vele klassieke teksten gebezigde term ‘bouwstenen’, die een veel te statische voorstelling geeft van de cel en de grote diversiteit hiervan geen recht doet wedervaren. In de aanvang is de mens niet meer dan een bevruchte eicel, die door klievingsdelingen tot een morula wordt van gelijk uitziende cellen: het hele complex moet nog beginnen aan het proces van differentiatie. Al is aan het celklompje niet te zien of het een mens, konijn of zeeëgel zal worden, het gaat kennelijk om de aanleg van een meercellig organisme: bij de eencellige organismen gaan de delingsprodukten elk direct huns weegs.

Het is een bekend feit dat de gemiddelde levensverwachting van de mens in de westerse wereld in de laatste decennia sterk is gestegen; honderdjarigen worden overal gesignaleerd en gefeteerd, en de oude garde weert zich flink.1 In de dagbladen werd onlangs bericht dat de oudste inwoner van Nederland thans 110 jaar en 4 maanden oud is.2 Het record stond op de naam van ene Geert Boomgaard, die in 1899 op ruim 109-jarige leeftijd is overleden. Het vorige Nederlandse record heeft dus 89 jaar bestaan, want de gemiddelde levensverwachting stijgt door betere levensomstandigheden van de bevolking, door medische verzorging, etc., maar niet de maximale levensverwachting (‘life-span’), die voor de mens in het algemeen thans op 114 jaar staat,3 een getal zonder standaarddeviatie. Met dit alles zijn we ver verwijderd geraakt van de omstandigheden tijdens de Middeleeuwen in Europa en van de gebieden op de aarde waar bepaalde bevolkingsgroepen thans onder niet veel betere omstandigheden moeten leven en waar de gemiddelde levensverwachting soms op nog geen 30 jaar moet worden gesteld. Al eerder dan op deze, voor ons jong volwassen, leeftijd zijn enkele organen over de top heen: zo kan een 20-jarige bepaalde tonen in het hoge frequentiegebied niet meer horen, die voor 12-14-jarigen goed waarneembaar zijn. (Deze laatsten doen er overigens alles aan om dit tijdstip nog wat verder terug te brengen.)

LICHAAMSCELLEN IN KWEEK

Hoe dragen nu de cellen bij tot de groei, de instandhouding, het verval en de dood van het organisme, alles in die ene eicel geprogrammeerd? Grotendeels is dit nog onbekend terrein, maar er zijn wel enkele punten uit te lichten. Het geheel wordt gecompliceerd doordat al deze biljoenen organisatie-eenheden zich steeds vernieuwen door celdeling, zij het in wisselende mate per weefsel of orgaan, en al zijn er delen bijv. neuronen die zich in het geheel niet meer delen vanaf de periode rond de geboorte. Als delende cellen uit het lichaam worden geïsoleerd en beschut voor gevaren als infectie, vergiftiging, traumatische beschadiging en andere gevaren die hen in het lichaam bedreigen, zouden we dan over een onsterfelijke cellijn beschikken? Deze vraag is belangrijk genoeg om er even bij stil te staan.

In 1912 was de experimentele chirurg Alexis Carrel, kort nadat hij de Nobelprijs had ontvangen voor geheel ander werk, erin geslaagd kippe-fibroblasten in glazen kweekvaatjes in leven te houden en – na toevoeging van perssap uit kippe-embryo's – zelfs tot deling te brengen.4 Deze beroemd geworden celkweek, in het nieuwe Rockefeller Institute ingezet, was 10 jaar later al 1860 maal naar vers medium overgezet. Anderen, o.a. Harrison, waren hem voorgegaan, maar Carrel wist de publiciteits-trom bekwaam te roeren. Er waren kwade wetenschappelijke tongen die beweerden dat cellen uit het embryo-extract de kweek onderhielden en zelfs dat de cultuur enkele malen geheel zou zijn afgestorven.5 In het Newyorkse dagblad ‘The World’ stond op 12 juni 1921 een hooggestemd artikel dat van alle cellen die uit de primaire kweek van 1912 waren voortgekomen, een kip zou zijn te maken, zo reusachtig dat deze met één stap de Atlantische Oceaan zou kunnen oversteken. Dit beeld is even treffend als misleidend, want uit deze cellen valt geen kip of kippehart of vallen zelfs geen kippehart-fibroblasten te vormen. Deze cellen hebben, naar wij thans weten, een z.g. transformatie ondergaan, waarbij hun genetische constitutie geheel verandert en hun afhankelijkheid van groeifactoren afneemt. Wanneer de oorspronkelijke kip van Carrel na 10 jaar nog zou leven, zouden deze cellen bij terug-implanteren in de kip direct als soortvreemd worden afgebroken, zoals elke cel die wordt binnengebracht in een organisme zonder het juiste wachtwoord, de ‘nestgeur’ van een identieke genetische constitutie. Inmiddels is dit transformatieproces van celstammen (‘cell strains’) tot cellijnen (‘cell lines’), dat ook door een virusinfectie kan worden bewerkstelligd en dat gepaard gaat met het verlies van een diploïde chromosomenconstitutie (heteroploïdie), in het centrum van de belangstelling komen te staan vanwege de relatie met gezwelvorming. In feite hebben alleen tumorcellen een ongeremde groeipotentie bij culturen van menselijke cellen (bijv. de vaak voor experimenten gebruikte HeLa-cellijn is oorspronkelijk uit een menselijke tumor gekweekt).

In 1961 toonden Hayflick en Moorhead aan dat een aantal verschillende celtypen van de mens, wanneer in kweek gebracht, maximaal ongeveer 50 delingscycli doormaakt om daarna, zonder duidelijke tekenen van veranderingen, steeds trager te gaan delen (‘groeicrisis’) en dan af te sterven.6 Het ging hier om diploïde cellen met normale chromosomenconstitutie, zoals de auteurs nauwkeurig hadden geverifieerd. Het is interessant aan te tekenen dat deze uitstekend gedocumenteerde mededeling voor publikatie werd geweigerd door de ‘Journal of Experimental Medicine’, met een opmerking van de redacteur dat het toch algemeen bekend was dat cellen onbeperkt konden groeien, mits onder de juiste omstandigheden, en dat het bestaan van een veroudering op cellulair niveau toch wel een erg wilde gedachte was.5 Zozeer werkte de door Carrel in zijn reeksen van publikaties beklemtoonde gedachte nog door in 1961 ! De redactie van ‘Experimental Cell Research’ was meer bij de tijd en plaatste het stuk prompt. Inmiddels is dit z.g. Hayflick-fenomeen op allerlei wijzen bevestigd en in ons denkpatroon opgenomen, al is het tot op heden nog raadselachtig wat deze geleidelijk vertraagde groei en het uiteindelijk uiteenvallen van de cellen bepaalt.

CELLEN IN HET LICHAAM

Hoe interessant ook de verhoudingen bij gekweekte cellen zijn, in het levende organisme treft men toch een geheel andere situatie met niet alleen een extreme variabiliteit van celfunctie en celvorm, maar ook van delingsfrequentie en gemiddelde levensduur van de cellen. In de volwassen situatie is er een evenwicht tussen aanmaak en verlies van cellen, zij het dat vanaf het 30e levensjaar het totaal aantal cellen geleidelijk afneemt.7 Het evenwicht tussen nieuwvorming en verlies is overigens bij de verschillende weefsels en organen zeer uiteenlopend van karakter: enerzijds is er de statische populatie van de neuronen, anderzijds schilferen in onze epidermis voortdurend cellen af die door nieuwvorming in de basale lagen worden aangevuld: de gemiddelde postmitotische periode duurt hier 2-3 weken. Cellen in de volwassen lever delen veel trager en hebben een levensduur van maanden of jaren, de mitotische activiteit neemt echter weer drastisch toe wanneer een deel van de lever wordt weggenomen. De epitheelcellen van de dunne darm houden de afscheiding naar de darminhoud volledig in stand, ondanks een zeer hoge vervangingssnelheid van de cellen: in 2 dagen is 80 van de cellen vervangen. Er valt te speculeren over de betekenis van deze vervanging, die bij de meeste andere epithelia veel trager gaat; zeker stelt deze intense delingsactiviteit, die het gehele leven doorgaat, het darmepitheel in staat snel kleine defecten te dichten, die overigens veel vaker optreden dan vroeger is gedacht. Na het opschuivingsproces, dat met een differentiatie-gradiënt vanuit de crypte gepaard gaat en dat 1½-2 dagen duurt, worden aan de toppen van de villi voortdurend op grote schaal dode cellen afgestoten. (Dit is er de oorzaak van dat er bij totaal hongeren toch steeds ontlasting wordt geproduceerd.) Bij totale blokkade van alle celdelingen (bijv. bij massale röntgenbestraling of inwerking van grote doses andere ioniserende stralen zoals dit bij een ongeluk in een kerncentrale kan voorkomen) treedt het z.g. darmsyndroom op. Deze toestand, waarbij er als het ware gaten vallen in de darmbekleding, treedt op doordat het geprogrammeerde afstotingsproces niet meer is gecoördineerd met de vorming van nieuwe cellen in de crypten.

Geprogrammeerde celdood.

Deze celdood, die men geprogrammeerde celdood noemt en die op grote schaal in allerlei weefsels plaatsvindt, vormt een onderdeel van de ‘steady state’ in de jong volwassen toestand. Op latere leeftijd wordt de balans geleidelijk negatief. Het gaat hier om een fijnregulatie, die is gezekerd door allerlei terugkoppelingsmechanismen, waarvan er enkele bekend zijn geworden. Waar het voor de hand ligt om gezwellen te beschouwen als te zijn ontstaan door te grote lokale celvermeerdering, kunnen deze ook soms worden veroorzaakt door een ten opzichte van de delingsfrequentie te gering celverval doordat de tumorcellen als het ware doof zijn voor signalen van het terugkoppelingsmechanisme of doordat deze signalen niet werken. In het algemeen kan dus worden gesteld dat celdood een even wezenlijk bestanddeel van groei of steady state vormt als de celdeling. De geprogrammeerde celdood komt in het microscopisch beeld tot uiting in een sterke schrompeling en verdichting van de cel (apoptosis) voordat deze uiteenvalt en door fagocyterende cellen uit de omgeving wordt opgeruimd, als er geen ‘afvoer’ plaatsvindt als bij de darm of epidermis.8

Accidentele celdood.

Naast deze geprogrammeerde celdood onderscheidt men de accidentele celdood door omstandigheden buiten de cel: ischemie, bevriezing, vergiftiging, trauma, etc. Wanneer een cel wordt blootgesteld aan zulk een schadelijke omstandigheid, bijv. ischemie, zijn de optredende veranderingen in eerste instantie als reversibel te beschouwen. Hierna komt echter een punt dat de cel zijn integriteit niet meer kan bewaren en gedoemd is uiteen te vallen. De celveranderingen die hiermee gepaard gaan, worden necrose genoemd. Het verschijnsel onderscheidt zich van apoptose doordat juist zwelling overheerst.910

De klassieke verschijnselen van celdood (grove coagulatie van het cytoplasma, kernverval door karyorrhexis of karyolysis) zijn in feite zeer late tekenen van necrose (treden op 8-12 uur na het ‘point of no return’). Met moderne technieken is het moment waarop de veranderingen irreversibel worden – het eigenlijke moment van celdood – veel dichter te benaderen. Deze vroege tekenen van necrose (al kan men moeite hebben hiervoor deze term te bezigen), betreffen vooral sterke veranderingen van de membraanpermeabiliteit en het ineenstorten van het energiemetabolisme. Bij losse cellen kan men het eerste verschijnsel op het spoor komen door de cellen te suspenderen in een verdunde oplossing van een vitale kleurstof: de cellen die de kleurstof als een spons opnemen, zijn lek en dus beschadigd. Bij cellen in weefselverband kan in omgekeerde richting een lekkage van cytoplasmatische enzymen naar de intercellulaire ruimte en vandaar naar het bloed worden gebruikt om abnormale doorlaatbaarheid van de celmembraan door ischemische of andere schade op het spoor te komen.1112 (Van dit fenomeen wordt dagelijks gebruik gemaakt bij de diagnostiek van het hartinfarct.) De verstoring van het energiemetabolisme komt al circa 2 uur na het punt van irreversibiliteit tot uiting in het ontstaan van typische precipitaties in de mitochondriale matrix, waarschijnlijk gedenatureerde enzymeiwitten.1314 Er is een grote mate van uniformiteit van de cellen in het lichaam ten aanzien van ischemische schade. Ondanks hardnekkige geruchten is de kritische periode voor een cel van het myocard en een osteocyt niet zeer verschillend.15 Dit is niet alleen van belang voor het handelen in de orthopedie, ook is bijv. het succes van de transplantatie van een nier of lever ten sterkste afhankelijk van een juiste preservering van de donororganen, die vaak over grote afstand moeten worden aangevoerd. Het implanteren van een orgaan waarvan de cellen grotendeels irreversibel zijn beschadigd, lijkt immers weinig zinvol. De tijdsduur dat de celpopulatie van dit orgaan juist vóór dit punt kan worden gehouden bij lage temperaturen en in een juist medium, bepaalt mede de mogelijkheden en beperkingen van een transplantatie.16

DE LEVENSDUUR

Terug naar de normale situatie. De vraag is nog onbeantwoord gebleven of te midden van al deze tumultueuze gedaanteverwisselingen van de cellen door deling, differentiatie en dood op cellulair niveau iets te bespeuren is van een scenario waarin een programmering is besloten. Er zijn niet meer dan enkele aanwijzingen. Zo is bekend geworden dat het aantal delingen dat een fibroblast van de mens in een celkweek doormaakt, afhankelijk is van de leeftijd van degene van wie de cellen afkomstig waren. De maximale 50 of 60 populatieverdubbelingen waar Hayflick melding van maakt, worden eigenlijk alleen gehaald door fibroblasten afkomstig van embryo's of jonge kinderen. Röhme heeft enige jaren geleden bij diploïde fibroblaststammen van verschillende dieren aangetoond dat de groeicrisis, d.w.z. het moment waarop de delingen steeds trager verlopen en de cellen afsterven, optrad na een aantal celverdubbelingen dat evenredig was met de wortel van de gemiddelde levensverwachting van de betreffende dieren.17 Nu kan men stellen dat het hier om cellen gaat in een onnatuurlijke omgeving (hoewel nog met ongewijzigde genetische constitutie; dit is uiteraard door Röhme geverifieerd). Interessant is nu dat gebleken is dat een soortgelijke relatie ook kan worden gevonden tussen de gemiddelde levensduur van erytrocyten en de wortel van de gemiddelde levensverwachting van het bijbehorende organisme.17

Op deze wijze gezien is de dood besloten in het leven op het niveau van de organisatie-eenheid van het organisme, de cel. Vernieuwing van deze eenheden door deling en uiteenvallen op een gedetermineerd moment zijn in coördinatie van celgroepen onderling en op hoger niveau onder invloed van hormonen en het zenuwstelsel in complexe programma's vastgelegd. Groei, rijping, volwassenheid en verval worden door deze regie gedetermineerd, externe invloeden hierop zijn maar ten dele van betekenis. Lang zullen we leven, maar niet onbeperkt; wat langer zou willen leven, kan onze dood zijn.

Naar een voordracht gehouden op de Universiteitsdag van de Amsterdamse Universiteitsvereniging op 22 oktober 1988.

Literatuur

  1. Proosdij C van, Fiolet JFBM. Lang zullen we leven?Ned Tijdschr Geneeskd 1988; 132:1177-9.

  2. NRC Handelsblad 24-09-1988.

  3. Harper AE. Nutrition, growth and longevity. In: DemvirjianA, ed. Human growth, a multidisciplinary review. London: Taylor &Francis, 1986: 49-65.

  4. Carrel A. The permanent life of tissues outside of theorganism. J Exp Med 1912; 15: 516-28.

  5. Witkowski J. The myth of cell immortality. Trends inBiochemical Sciences 1985; 10: 258-60.

  6. Hayflick L, Moorhead PS. The serial cultivation of humandiploid cell strains. Exp Cell Res 1961; 25; 585-621.

  7. Bellamy D. Cell death in the context of aging. In: DaviesJ, Sigee DC, eds. Cell ageing and cell death. Cambridge: Cambridge UniversityPress, 1984: 105-21.

  8. Wyllie ASH, Duval E, Blow JJ. Intracellular mechanisms incell death in normal and pathological tissues. In: Davies J, Sigee DC, eds.Cell ageing and cell death. Cambridge: Cambridge University Press, 1984:269-94.

  9. James J, Myagkaya GL. De celdood: nieuwe inzichten in eenoud probleem. Ned Tijdschr Geneeskd1983; 127: 1572-8.

  10. Trump BF, Dowell EM, Arstila AU. Cellular reaction toinjury. In: Hill RB, LaVia MF, eds. Principles of pathobiology. New York:Oxford University Press, 1980: 20-111.

  11. Frederiks WM, Myagkaya GL, Bosch KS, et al. The value ofenzyme leakage for the prediction of necrosis in liver ischemia.Histochemistry 1983; 78: 459-72.

  12. Frederiks WM, Vogels IMC, Fronik GM. Plasma ornithinecarbamyl transferase level as an indicator of ischaemic injury of rat liver.Cell Biochem Function 1984; 2: 217-20.

  13. Collan J, McDowell E, Trump BF. Studies on thepathogenesis of ischemic cell injury. VI. Mitochondrial flocculent densitiesin autolysis. Virchows Arch (Cell Pathol) 1981; 35: 189-99.

  14. Myagkaya GL, Veen H van, James J. Quantitative analysisof mitochondrial flocculent densities in rat hepatocytes during normothermicand hypothermic ischemia in vitro. Virchows Arch (Cell Pathol) 1985; 49:61-72.

  15. James J, Steijn-Myagkaya GL. Death of osteocytes. J BoneJoint Surg (Br) 1986; 68: 620-4.

  16. Myagkaya GL, Veen H van, James J. Ultrastructural changesin the rat liver during Euro-Collins storage, compared with hypothermic invitro ischemia. Virchows Arch (Cell Pathol) 1987; 53: 176-82.

  17. Röhme D. Evidence for a relationship betweenlongevity of mamma lian species and life spans of normal fibroblasts in vitroand erythrocytes in vivo. Proc Natl Acad Sci USA 1981; 78:5009-13.