Oratie prof.dr. C.H. Hokke

16 oktober 2017

Verbindende suikerverbindingen


Rede uitgesproken door prof.dr. C.H. Hokke op 16 oktober 2017 bij de aanvaarding van het ambt van hoogleraar met als leeropdracht Glycobiologie van Gastheer-Pathogeen Interacties.

Mijnheer de Rector Magnificus, leden van de Raad van Bestuur, zeer gewaardeerde toehoorders,

Een kleine drie weken geleden, zo ongeveer op het moment dat de voorbereiding van deze oratie in een kritieke fase kwam, bevond ik mij hoestend, draaierig en met hoofdpijn achter mijn laptop. Er moest nog heel wat gebeuren, zoals het bedenken van een pakkend begin en de beschrijving van praktijkvoorbeelden uit mijn vakgebied; dit was niet het juiste moment om ziek te worden. Er was duidelijk een gevecht aan de gang tussen de gastheer en een ziekteverwekker, de pathogeen, die met mij een interactie was aangegaan. Aangezien de vermoedelijke boosdoener een doodnormaal verkoudheidsvirus was, bestond het initiële contact uit de verbinding van virusdeeltjes met het oppervlak van de epitheelcellen van mijn luchtwegen. Het heeft bijna een week geduurd tot mijn afweersysteem de indringer had verdrongen. Het verlies van die voorbereidingsdagen leverde enige stress op. En een openingsparagraaf.

Al eerder was ik tot de conclusie gekomen dat de titel van mijn leerstoel niet de makkelijkste is om tegenover een goed opgeleid maar breed publiek in één of twee zinnen te verklaren. Daar neem ik nu graag eerst even de tijd voor.

Gastheer-pathogeen interactie

Ik zal beginnen met het eenvoudigst uit te leggen onderdeel van Glycobiologie van gastheer-pathogeen interactie. We hebben allemaal voortdurend te maken met pathogenen die proberen ons lichaam binnen te dringen. Het afweersysteem probeert de indringers tegen te houden, maar veel pathogenen hebben manieren gevonden om ons toch te infecteren. Soms merken we daar relatief weinig van; we voelen ons hooguit niet helemaal top, maar soms ook kan een infectie heftig en ziekmakend verlopen en, in het ergste geval, tot de dood leiden. Pathogenen bestaan in allerlei soorten en maten: van de kleinste voor het blote oog onzichtbare micro-organismen als virussen, bacteriën, schimmels en eencellige parasieten, tot de grootste parasitaire macro-organismen als leverbotten of lintwormen, waarvan de laatsten meer dan een meter lang kunnen worden. In Nederland is de infectieziekte met de meeste impact op ons dagelijks bestaan de griep, veroorzaakt door het influenzavirus. Daarnaast kunnen we in Nederland nog tientallen andere soorten infectieziekten oplopen. Sommige komen vaak voor, zoals maagdarminfecties die over het algemeen geen ernstige klachten veroorzaken. Tetanusinfecties daarentegen, die in Nederland gelukkig zelden voorkomen, leiden juist weer tot relatief veel sterfgevallen. Een gezondheidsmaat die deze aspecten van ziekten combineert, is de Disability Adjusted Life Year (de DALY). Dat is de totale hoeveelheid jaren die mensen niet meer in goede gezondheid doorbrengen vanwege een ziekte. De gemiddelde jaarlijkse infectieziektelast voor de Nederlandse bevolking was de laatste jaren het hoogst voor griep (>8500 DALY's/jaar) en het laagst voor difterie (<1 DALY/jaar). Dat de ziektelast van difterie, de meest dodelijke infectie, het laagst is komt in belangrijke mate door de toepassing van een effectief vaccin. 

Op móndiaal niveau liggen de verhoudingen echter heel anders. Bij tuberculose, malaria, AIDS, en een grote groep zogenaamde verwaarloosde tropische infectieziekten lopen de DALY’s in de tientallen miljoenen. In veel gevallen zijn er geen vaccins, geen goede preventie- of behandelingsstrategieën, of geen adequate diagnostische methoden voorhanden. 

De manieren waarop de vele soorten infecties tot stand komen lopen op z’n zachtst gezegd nogal uiteen. Talloze soorten pathogenen hebben allemaal hun biologische en moleculaire trucjes om ons te kunnen infecteren. Onze afweer, het imuunsysteem, werpt een scala aan biologische en moleculaire barrières op om de indringers buiten de deur te houden. Dat immuunsysteem is vrij ingewikkeld te noemen. Om ook niet-experts houvast te bieden voor de rest van mijn betoog zou de volgende computeranalogie kunnen werken. Een deel van het immuunsysteem vormt de firewall die algemene kenmerken van binnendringende pathogenen en andere gevaren herkent. Een voorbeeld hiervan zijn de receptoren op patrouillerende immuuncellen die moleculen van pathogenen herkennen en vervolgens vertellen of er gevaar dreigt of niet, en zo ja, wat voor soort gevaar. Een micro-bacterie moet namelijk door andere takken van het immuunsysteem onder controle worden gehouden als een macro-parasiet. Daarnaast hebben we nog een soort virusscanners, of in dit geval pathogeenscanners, die als hun definities goed zijn ge-update het type en serienummer van de pathogeen herkennen. Dan kan er gericht een succesvolle aanval met pathogeen-specifieke afweercellen of antilichamen worden uitgevoerd. Antilichamen zijn eiwitten van het immuunsysteem die heel specifiek stukjes van de pathogeen herkennen en daarmee verschillende soorten aanvalsmechanismen in werking kunnen stellen. Zo’n herkenning treedt bijvoorbeeld op als ik nog eens aan precies hetzelfde virus wordt blootgesteld als een paar weken geleden, of als het immuunsysteem door vaccinatie al met specifieke onderdelen of moleculen van de pathogeen heeft kennis gemaakt. 

Mijn studies beogen vooral op dat moleculaire niveau te begrijpen hoe infecties werken. Welke moleculen van de pathogeen en welke moleculen en mechanismen in de gastheer zijn bij de reactie en interactie betrokken?  

Wat ik verder om te beginnen natuurlijk duidelijk wil maken, is dat het lastiger uit te leggen onderdeel van mijn leerstoeltitel, glycobiologie, vrijwel onlosmakelijk verbonden is met bestudering van gastheer-pathogeen interactie. 

Wat is glycobiologie? Glycobiologie is de biologie van suikers en suikerverbindingen, of koolhydraten, die verwijzend naar het Engelse woord glycan, tegenwoordig in het Nederlands meestal glycanen worden genoemd. Deze glycanen worden door beide partijen – gastheer en pathogeen - ingezet in de moleculaire wapenwedloop om te overleven. Voordat ik specifiek daar verder op in ga wil ik eerst de glycobiologie an sich wat verder introduceren. 

Suikers en suikerverbindingen

Suikers kennen de meesten van u vooral in het kader van voedingsmiddelen. U vermijdt ze misschien zoveel mogelijk door Diet Coke of koffie zonder suiker te drinken. Of u neemt juist regelmatig een appel of een bord spaghetti, zodat u er vol energie weer tegenaan kunt. Suikers, en uit ketens van suikers opgebouwde macromoleculen zoals zetmeel, zijn belangrijke energieleveranciers voor mens en dier. Weer andere suikerketens zoals cellulose en chitine zorgen er respectievelijk voor dat bomen overeind blijven staan en dat insecten en schaaldieren een stevig exoskelet hebben. Dit soort suikers en suikerverbindingen komen vandaag niet aan de orde.

De suikers die de hoofdrol spelen in mijn vakgebied zijn vooral glycanen die verbindingen vormen met eiwitten (de glycoproteïnen) en vetzuren (de glycolipiden), met een verzamelnaam glycoconjugaten genoemd. Glycanen en glycoconjugaten komen vooral voor op buitenkant van de cellen van ieder organisme; plant of dier, bacterie of worm. De eiwitten die cellen en organen uitscheiden en die in ons bloed circuleren, zijn vrijwel allemaal glycoproteïnen. En ook binnen in iedere cel spelen bepaalde glycoconjugaten een rol in de machinerie van het leven. Kortom, geen biologie zonder glycobiologie. De lineaire of vertakte glycanen worden gevormd via een complex netwerk van enzymen, en de suikerbouwstenen kunnen in verschillende stereo-chemische configuraties met elkaar verbonden zijn. In combinatie met de multivalente verbindingen die glycanen met eiwitten of lipide-membranen vormen, is daarom het aantal variaties in de glycosylering niet te bevatten. Een ongekende complexiteit is dus gegarandeerd. 

Glycobiologie en de biomedische wetenschap

Hoe is het vakgebied dat deze complexe glycanen bestudeert eigenlijk tot stand gekomen? In 1930 ontving Karl Landsteiner de Nobelprijs voor Geneeskunde voor zijn ontdekking van de humane bloedgroepen. Die ontdekking zouden we wat mij betreft best als begin van het vakgebied van de glycobiologie mogen markeren. Zo’n typering is natuurlijk aanvechtbaar, en misschien zullen sommige collega’s eerder memoreren aan het moment dat Professor Raymond Dwek uit Oxford in 1988 de Engelse term glycobiology introduceerde voor het wetenschappelijke veld waarin glycanen in hun biologische context worden bestudeerd. In dezelfde tijdsperiode bloeide aan de Universiteit van Utrecht een succesvolle glycoconjugaten onderzoeksgroep. Daar deed ik onder begeleiding van de hoogleraren Vliegenthart en Kamerling als promovendus onderzoek naar de glycosylering van één van de eerste therapeutische recombinant glycoproteïnen, het alom bekende EPO, waarvoor interessante toepassingen in de wielrennerij bleken te zijn. Voor mij persoonlijk begon toen de glycobiologische reis die deze oratie als tussenstation heeft.

Dat ik er voor gekozen heb om juist Landsteiner’s ontdekking van de bloedgroepen aan te stippen als een goed glycobiologisch startpunt, heeft een aantal specifieke redenen. 

Ten eerste worden de humane bloedgroepen A, B en O op moleculair niveau bepaald door glycanen. Mensen met bloedgroep O dragen op hun rode bloedcellen glycanen met aan het uiteinde een specifieke verbinding tussen de suikerbouwstenen galactose en fucose. Bij mensen met bloedgroep A is daar een N-acetylgalactosamine aan toegevoegd en bij bloedgroep B een tweede galactose. Die aan- of afwezigheid van een bepaalde suikerbouwsteen, of een klein verschil in hoe ze met elkaar verbonden zijn maken op moleculair niveau veel uit. 

Ten tweede, de persoon die glycaan A draagt heeft in zijn of haar bloed antilichamen tegen B, en andersom. Het is belangrijk om u te realiseren dat antilichamen dus tegen stukjes lichaamsvreemd glycaan gericht kunnen zijn. Dat principe ligt ten grondslag aan een succesvolle beschermende afweerreactie na een infectie of een vaccinatie waarbij glycanen op de buitenkant van bijvoorbeeld een bacterie wordt herkend. Succesvolle vaccins zoals tegen meningokokken zijn opgebouwd uit glycanen van de bacterie. Er komen echter variaties voor in de glycanen van meningokokken die leiden tot verschillende serotypen, die we ook glycotypen zouden kunnen noemen. Die serotypen hebben allemaal andere glycanen op hun buitenkant, waardoor antilichamen opgewekt tegen serotype C niet reageren tegen bijvoorbeeld A, W en Y. Dit is precies waarom recent een aanpassing aan het meningokokken C vaccin in het Rijksvaccinatieprogramma is voorgesteld. Die aanpassing is nodig om ook tegen andere in Nederland voorkomende meningokokken dan serotype C bescherming te bieden. Glycanen en anti-glycaan antilichamen zijn dus specifiek, en die laatsten spelen een belangrijke rol in ons afweersysteem. 

De derde reden dat ik het bloedgroepvoorbeeld aanhaalde, is dat een specifiek stukje glycaan op het celoppervlak bepalend kan zijn voor een succesvolle interactie van infectieuze organismen met hun beoogde gastheer. Uropathogene E. coli bacteriën koloniseren onze blaas door met hun glycaan-bindende adhesines aan mannose glycanen op de blaaswand te hechten. En een infectie met het influenzavirus is het gevolg van de binding van virusdeeltjes aan eindstandige neuraminezuren van glycanen op de endotheelcellen van onze luchtwegen. De manier waarop neuraminezuur, inderdaad een vreemde naam voor een suiker, aan onze glycanen verbonden is bepaalt mede dat een humaan griepvirus ons infecteert en een vogelgriepvirus vogels. 

Mijn leerstoel richt zich dus op moleculaire verbindingen van suikers die een rol spelen in de biologie en de immunologie van infecties. 

Parasitaire wormen

Het zal voor velen van u bekend zijn dat in het afgelopen decennium het glycobiologisch onderzoek bij de afdeling Parasitologie van het Leids Universitair Centrum LUMC zich met name heeft gericht op parasitaire wormen. De afdeling neemt in Nederland een unieke positie in als het gaat om de verscheidenheid van wormeninfecties die we bestuderen, alsmede vanwege de breedte van het onderzoek dat basale moleculaire aspecten combineert met populatiestudies en infectiemodellen. Dat doen we niet zonder goede redenen. Chronische infecties met wormen, waarvan de meesten tot de verwaarloosde tropische infectieziekten behoren, veroorzaken verzwakking en ziekte in honderden miljoenen mensen wereldwijd en dan met name in degenen die op of onder de armoedegrens leven. In veel gevallen zijn behandelingsmogelijkheden voor dit soort infecties niet toereikend of raakt men na behandeling snel opnieuw geïnfecteerd. Een deel van onze onderzoeksprogramma’s richt zich daarom op de ontwikkeling van anti-wormen vaccins. 

In een groot deel van de moderne wereld, inclusief de verstedelijkte gebieden in de minder ontwikkelde landen, behoren wormen nauwelijks meer tot het normale pathogeenspectrum. Echter, we moeten ons realiseren dat de mens tienduizenden jaren als gastheer van wormen heeft gediend. Het wegvallen van die co-evolutionaire factor heeft consequenties voor de ontwikkeling en activatie van ons immuunsysteem. Dit is daarom óók een belangrijk onderzoeksveld binnen onze afdeling. Het wordt steeds duidelijker dat een afname van wormeninfecties in een populatie geassocieerd is met een toename van niet-overdraagbare ontstekingsziekten zoals allergische astma, inflammatoire darmziekten, en type-2 diabetes. Wat doen die wormen toch met ons, wat is daar slecht aan, maar ook wat is daar goed aan? Aan dit onderzoeksveld zitten net als aan de bestrijding van parasitaire infecties onmiskenbare glycobiologische aspecten.

Als kader om voorbeelden te schetsen van hoe de opgedane glycobiologische kennis kan worden vertaald in bruikbare oplossingen in pre-klinisch en klinische onderzoek zal ik nu schistosomiasis, ook bekend als Bilharzia introduceren. Als het gaat om het verlies van gezonde levensjaren wereldwijd is deze infectieziekte de belangrijkste die door wormen wordt veroorzaakt.

Schistosomiasis

Neem in gedachten een plek in Afrika, laten we zeggen aan oevers van het Victoriameer of het meer van Malawi. Tussen de rietkragen huizen slakken die een parasiet genaamd Schistosoma mansoni bij zich dragen. Iedere morgen kruipen grote aantallen schistosoomlarven, cercariën genaamd, uit hun tijdelijke slakkenonderkomen. Een enkele gelukkige cercarie komt al zwemmend in contact met de huid van schoolkinderen die in het water aan het spelen zijn, van vissers die hun netten uitwerpen, of van een nietsvermoedende toerist die aan het pootje baden is. Binnen een paar minuten zijn die cercariën, nu nog een fractie van een millimeter groot, de huid binnengedrongen. De larven passen zich dan snel van binnen en van buiten aan hun nieuwe omgeving aan, waarbij de glycocalyx, de dikke laag glycanen op het oppervlak, wordt aangepast. Een 6 weken durende reis door het lichaam eindigt als volwassen worm van circa 1 cm lengte in de aderen rond de dunne darm. Daar produceren paartjes van mannetjes en vrouwtjes honderden eitjes per dag, terwijl ze zich ondertussen tegoed doen aan een dieet van rode bloedcellen. De eitjes banen zich een weg naar buiten via het intestinale weefsel en de uitwerpselen. Als die in het water terecht komen waarin de slakken leven, zullen larfjes die uit het ei komen zich in de slak nestelen. Na een efficiënte, klonale vermenigvuldiging in de slak vormt zich een nieuwe generatie van duizenden nakomelingen per wormpaar.

Dit verhaal illustreert zelfs zonder dat ik moleculaire details invul, dat deze parasiet met zijn gastheer op verschillende plaatsen en in verscheidene gedaantes interacties aan gaat. Bij veel van deze interacties spelen de verbindende suikerverbindingen een essentiële rol. 

Glycobiologie van schistosomiasis

Mijn onderzoeksgroep heeft namelijk in de afgelopen 10 jaar de glycanen van de zojuist beschreven levensstadia van de schistosoom en de verschillende interacties van die glycanen met de gastheer in groot detail in kaart gebracht. Zogenaamde glycomics studies die het totale repertoire van schistosoomglycanen hebben geïdentificeerd, hebben ons geleerd dat schistosomen een extreem complex assortiment glycanen produceren. Daar zitten glycaanpatronen bij die ook in de gastheer voor komen want een multicellulaire worm lijkt moleculair biologisch gezien vrij veel op ons. Echter, er zitten ook glycanen tussen die volstrekt uniek zijn voor deze parasiet. Die verschillende smaken glycanen hebben daarom de potentie om het normale immunologische evenwicht in ons lichaam te beïnvloeden, maar ook om specifieke immuunreacties reacties tegen de worm teweeg te brengen.

Om met dat laatste te beginnen: tegen de meeste schistosoomglycanen worden in de gastheer antilichamen gemaakt. Daarom dringt zich de vraag op in hoeverre die bij een effectieve afweerreactie betrokken zijn. In het specifieke geval van de schistosoom is die vraag moeilijker te beantwoorden dan in het eerdere voorbeeld van de meningokokken. Weerstand tegen een schistosomeninfectie wordt niet snel opgebouwd, zoals dat bij veel bacteriën wel het geval is. Dat heeft uiteraard te maken met de mechanismen die parasieten in huis hebben om het immuunsysteem te ontwijken of te moduleren. Op de vraag of bepaalde parasiet-specifieke glycanen toch de basis voor anti-wormen vaccins kunnen vormen, wordt in mijn onderzoeksgroep momenteel een antwoord gezocht. De reactiviteit van de antilichamen die we hebben bepaald in diermodellen voor schistosoom-infecties en in humane cohorten uit endemische gebieden in Afrika, geven aan dat bepaalde fucose-bevattende glycanen op de larven een potentieel doelwit zijn. Of vaccinatie met synthetische verbindingen van deze glycanen een afweerreactie opwekt die de binnendringende parasiet kan tegenhouden, wordt op dit moment in een pre-klinisch schistosomiasis model onderzocht. 

Een tweede, en zeer directe en succesvolle toepassing van schistosoomglycanen is in de diagnostiek. Omdat hun digestieve systeem wel een ingang maar geen uitgang heeft, spugen de wormen regelmatig onverteerbare resten van rode bloedcellen uit. Daarbij secreteren ze ook glycánen die in de wormmaag worden aangemaakt. Die glycanen, of stukken ervan, komen daardoor in het bloed en de urine van de gastheer terecht. Op basis van langdurig onderzoek van Prof. Deelder en Dr. van Dam is een methode ontwikkeld die de schistosoomglycanen in urine kan aantonen. Deze zogenaamde point-of-care test die in het veld kan worden gebruikt is inmiddels op grote schaal verkrijgbaar en aanbevolen door adviseurs van de Wereldgezondheidsorganisatie. Het mag duidelijk zijn dat we de mogelijkheid onderzoeken om ook voor andere wormeninfecties waarvoor de huidige diagnostiek nog ontoereikend is, glycanen als doelwit te gebruiken.

Een derde onderzoeklijn waar glycanen belangrijke puzzelstukjes vormen is die naar de immuun-modulerende eigenschappen van wormen. De worm heeft tijd nodig om zich voort te planten en daarvoor is een chronisch en relatief ongestoord verblijf in een levende gastheer nodig. Schistosomen kunnen vele jaren oud worden. Epidemiologische, en recentelijk ook steeds meer mechanistische studies, laten zien dat parasitaire wormen met specifieke moleculen, veelal glycoconjugaten, het immuunsysteem van hun gastheer onder controle houden. De worm wordt dan niet te snel opgeruimd en de gastheer bezwijkt dan niet aan ontstekingen die gepaard zouden gaan met de infectie. Het potentieel gunstige bijprodukt is dat ook ándere ontstekingsreacties in een geïnfecteerde gastheer worden onderdrukt. Een moleculaire studie naar de structuur en effecten van schistosoommoleculen heeft onder meer geleid tot de ontdekking van het immuun-modulerende glycoproteïne omega-1. Glycanen op omega-1 zijn essentieel in de modulatie van immuuncelfunctie via glycaan-herkennende receptoren. Bepaalde cellulaire immuunreacties kunnen daardoor worden onderdrukt of veranderd. Het moleculaire onderzoek naar de structuur en immunologische activiteit van een breder spectrum aan glycoproteïnen van wormen vormt nu in projecten van Dr. Smits, Dr. Guigas en Dr. Everts de basis voor de ontwikkeling van nieuwe therapeutica ter bestrijding van ontstekingsziekten als allergische astma en type-2 diabetes.

Glycanen en evolutie 

Zo rond de helft van dit betoog is een interessante vraag die zich nu toch wel op zou moeten dringen, de vraag waaróm eigenlijk ieder organisme zijn eigen repertoire aan glycanen maakt. Een bekende uitspraak van mijn Amerikaanse collega Prof. Ajit Varki is ‘Niets in glycobiologie is logisch, behalve in het licht van de evolutie’. Deze uitspraak is zeker op zijn plaats in het kader van de interacties tussen gastheer en pathogeen.

Alle organismen, zowel één- als meercellig, gebruiken dezelfde op DNA gebaseerde genetische code. Echter, de universele glycaancode bestaat niet. Ook al weten we voor de meeste organismen weinig tot niets over hun glycaan repertoire, het is duidelijk dat er in de biologie een enorme verscheidenheid aan glycanen wordt gebruikt. Glycanen van bacteriën vertonen maar weinig overeenkomsten met die van meercelligen als een worm of een mens. Desalniettemin zijn alle cellen van alle organismen omgeven door een laagje glycanen, de glycocalyx. Enerzijds korreleren glycaanstructuren en -sequenties met genetische afstamming, anderzijds zien we ook discontinuïteit langs de genetische lijnen waarbij bepaalde suikerbouwstenen of bepaalde verbindingen verdwijnen, en ergens anders als gevolg van convergente evolutie weer worden geherintroduceerd. Zelfs op een relatief korte phylogenetische afstand zoals tussen schistosomen en de leverbot, beide behorend tot stam van de platwormen, zien we grote verschillen. Terwijl de leverbot nauwelijks gefucosyleerde glycanen produceert, heeft in schistosomen de fucosylering een grote expansie heeft ondergaan.

Uit glycomics studies blijkt dat glycosylering die ín de cel een rol speelt sterk is geconserveerd, maar dat glycanen aan de oppervlakte onderhevig zijn aan veranderingen die niet kunnen worden verklaard door een normale genetische drift. Veranderingen in glycosylering aan het celoppervlak of in secreties zijn dan ook het best verklaarbaar vanwege de evolutionaire wapenwedloop tussen gastheer en pathogeen. 

Een interessant voorbeeld van evolutionaire glyco-diversiteit is dat wij geen zogenaamde a-galactose (of a-gal) structuren meer op onze glycanen hebben, maar dat er juist wel antilichamen tegen a-gal in ons bloed circuleren. Vele andere organismen, inclusief sommige parasieten, insecten, en veel zoogdieren waaronder die waar niet-vegetariërs het vlees van eten, hebben wel a-gal glycanen. Mogelijk bieden onze antilichamen tegen a-gal bescherming tegen overdracht van virussen uit andere zoogdieren, omdat die virussen het a-gal suikerlaagje van hun gastheer meekrijgen. 

Fascinerende recente ontdekkingen in dit kader zijn overigens ook de observaties dat IgE antilichamen tegen a-gal kunnen worden opgewekt door tekenbeten, en vervolgens een allergie tegen rood vlees kunnen veroorzaken. Of dat IgM antilichamen tegen a-gal bescherming tegen de malariaparasiet kunnen bieden. En de glycaanstructuren van veel plantenallergenen waartegen sommigen van ons IgE antilichamen maken, zijn dezelfde als die van het eerder besproken omega-1 glycoproteïne uit schistosomen. Er is dus een connectie tussen kruisreactieve antilichamen tegen vergelijkbare glycanen van verschillende micro- en macro-organismen. Hoogst interessant is hierbij de samenhang met het totale anti-glycaan antilichaam repertoire in ons bloed. Dit kan per persoon sterk verschillen en lijkt deels een afspiegeling te vormen van de glycanen waaraan ons immuunsysteem is blootgesteld. Dat kan zijn in de context van een infectie, van voeding, of van andere mogelijke bronnen zoals allergenen, insectenbeten, of de micobiota.  

Het onderzoek naar de impact van anti-glycaan reacties op infectie en gezondheid is een veld met toekomst. Zulk onderzoek, waarvoor nieuwe glycaan-microarray technologie de deur heeft opengezet, vindt onder andere aansluiting bij grootschalige immuno-epidemiologische projecten in Europa, Afrika en Indonesië die door Prof. Yazdanbakhsh en haar medewerkers zijn ontwikkeld. 

Glycobiologie gereedschap

Geen van de eerdergenoemde moleculaire studies zou mogelijk zijn zonder over een goede technologische ‘gereedschapskist’ te beschikken. De samenwerking met Dr. Codée en collega’s op het Leids Instituut voor Chemie is cruciaal om de beschikking te hebben over gedefiniëerde synthetische glycaan antigenen die we nu testen in pre-klinische immunisatiemodellen. Net zo cruciaal is de samenwerking met de plantenonderzoeksgroep onder leiding van Dr. Schots aan de Universiteit van Wageningen. Dat is op het eerste gezicht een onwaarschijnlijke verbinding tussen vakgebieden. Maar planten, waarvan de glycanen sowieso al elementen bevatten die we ook in wormen terug zien, blijken een ideaal en manipuleerbaar productiesysteem voor recombinant worm glycoproteïnen met specifieke functionele glycanen, zoals in het geval van het eerder genoemde omega-1, of van potentiële anti-worm vaccinkandidaten.

Gereedschap voor genétische modificatie van glycosylering in levende wormparasieten zal nog ontwikkeld moeten gaan worden. In schistosomen met hun complexe levencycli zal zelfs met de nieuwste op CRISPR-CAS9 gebaseerde technologie de aanpassing van glycanen op z’n zachtst gezegd een uitdaging zijn. Maar zo’n fundamentele aanpak kan ons uiteindelijk wel vertellen welke type glycaan de sleutel tot succes of tot falen van een infectie bevat. Recent heb ik tijdens een verblijf aan de Universiteit van Aberystwyth in Wales mogen parasiteren op de kennis in het laboratorium van mijn gastheer Prof. Hoffmann om de eerste stappen in die richting te zetten. Ik kijk er naar uit om in dit internationale verband en samen met collega’s op het LUMC deze onderzoekslijn van functionele glycobiologie verder uit te bouwen.

Glycomics technologie

In het kader van de gereedschapskist wordt het de hoogste tijd ook enige woorden te besteden aan glycomics. Glycomics is de technologische benadering om complexe mengsels of grotere aantallen glycanen te identificeren en te onderzoeken. Structuurbepaling van glycanen die betrokken zijn bij gastheer-pathogeen interacties is onmogelijk zonder de juiste faciliteiten voor glycomics. Deze technologie is grotendeels gebaseerd op de analytische techniek die massaspectrometrie (of MS) heet. Binnen het LUMC is deze ondergebracht in het Centrum voor Proteomics en Metabolomics (CPM). Een voorloper van het CPM  was onderdeel van de afdeling Parasitologie. Dat is minder onlogisch dan het lijkt. Tijdens een van mijn eerste gesprekken met Prof. Deelder, toenmalig afdelingshoofd, die als glyco-parasitoloog avant-la-lettre terdege al de potentie van de glycobiologie had ingezien, stelde hij mij de vraag of er nog bijzondere apparatuur nodig zou zijn voor dit type werk. Dit was in 1999 en mijn antwoord was: een massaspectrometer. Ik had toen niet voorzien dat dit het zaadje zou zijn waar uiteindelijk de LUMC massaspectrometriefaciliteit zou ontstaan. De laatste tien jaar zijn sommige glycomics toepassingen in het veld van de gastheer-pathogeen interacties verder doorontwikkeld. De aanverwante techniek van de glycaan-microarrays is door Dr. van Diepen dusdanig verfijnd dat er grootschalig antilichaam profielen in sera mee kunnen worden geanalyseerd. Deze microarrays zijn breed toepasbaar gebleken in het onderzoek naar de associatie van anti-glycaan antilichamen met diverse infecties en allergie. 

Het glycomics specialisme heeft sterk bijgedragen aan de internationale bekendheid en impact van ons glycobiologisch onderzoek en het vormt de basis voor talloze internationale samenwerkingsverbanden. In zulke projecten hebben we inmiddels de glycosylering van een groot aantal parasitaire wormen in kaart gebracht. De meeste hiervan veroorzaken verwaarloosde tropische infectieziekten, zoals Onchocerca volvulus en Schistosoma haematobium, of hebben belangrijke veterinaire en zoonotische implicaties zoals Haemonchus contortus en Fasciola hepatica. Deze basale glycomics studies hebben we vervolgens zonder uitzondering geïntegreerd in programma’s voor de ontwikkeling van therapeutica en diagnostica om deze infecties en daaraan gerelateerde ziekten te bestrijden en onder controle te krijgen.

De breed toepasbare glycomics technologieën op het LUMC zijn in de beginjaren voor een groot deel samen met Prof. Wuhrer, toen nog bij Parasitologie, gestalte gegeven. Het technologieplatform CPM garandeert nu onder zijn leiding de verdere ontwikkeling van hoogstaande en op MS-gebaseerde glycomics en glycoproteomics technieken, toepasbaar in een breed scala aan fundamenteel en translationeel onderzoek binnen- en buiten het LUMC. Het is misschien niet direct te verwachten dat glycosyleringsanalyses met MS net zo algemeen en makkelijk toepasbaar kunnen worden als DNA volgordebepaling of eiwitidentificatie. Daarvoor is de complexiteit en variatie bij glycosylering veel te groot. Maar het is in ieder geval wel uitstekend mogelijk dat high-throughput- en standaardprocedures worden ontwikkeld voor specifieke toepassingen zoals dat al met succes is gedaan voor serum glycanen of de glycosyleringsanalyse van IgG en andere specifieke glycoproteïnen. Hoe dan ook, het inpassen van glycomics methodologie voor de beantwoording van biomedische onderzoeksvragen vergt optimale communicatie en verbinding tussen de technologische, biologische en medische expertises. Samen met de andere glyco-groepen in Leiden hebben we een virtueel expertisecentrum dat zowel methodologisch als conceptueel veel potentie in huis heeft. Ik hoop dat deze rede meehelpt bij ons een zoete inval van glyco-geïnteresseerden te stimuleren. 

Onderwijs en voorlichting

Veel van wat ik hier over glycanen heb verteld is al jaren bekend. Daarom is het zo verbazingwekkend dat glycobiologie nog steeds als een relatief onbekende, maar veelbelovende en innovatieve tak van wetenschap wordt beschouwd. Veel wetenschappers die aan gastheer-pathogeen interacties of andere biologische en medische problemen werken, hebben glycosylering en het bestuderen ervan nog niet in hun standaardpakket zitten.

Dat glycobiologie onderdeel van veelbelovende innovatieve wetenschap vormt, is goed nieuws. Maar dat glycosylering in de biomedische wetenschap nog niet veelvuldig als aangrijpingspunt voor het zoeken naar moleculaire oorzaken en oplossingen van belangrijke medische en biomedische problemen wordt gezien is eigenlijk vrij dramatisch. We vinden het heel normaal dat studenten moleculaire en medische wetenschappen precies weten hoe DNA werkt, hoe eiwitten worden opgebouwd, uit welke compartimenten een cel bestaat en hoe het imuunsysteem werkt. Maar heel veel minder vaak is men goed op de hoogte van glycanen en glyconjugaten, hoe ze er uit zien, waar ze vandaan komen en vooral ook wat ze doen.

We moeten er naar streven dat iedere afgestudeerde biowetenschapper een solide basiskennis over glycanen en glycosylering heeft. Diegenen die zoals ik als chemicus zijn opgeleid, zullen weten dat fucose een 6-deoxy-L-galactopyranose is, maar voor de meesten is een fucose een rood driehoekje, net zo goed als mannose een groen rondje is in plaats van de C-2 epimeer van glucose, wat overigens het bláuwe rondje is. Belangrijke resultaten kunnen zeker worden geboekt zonder die specifieke moleculaire kennis, met name bij samenwerking tussen groepen met complementaire expertise, maar het leidt onherroepelijk tot enige spraakverwarringen.

Onderwijs en voorlichting zijn uiteraard de beste manieren om daar wat aan te doen. Nationale en internationale initiatieven waaronder de diverse ‘glyco’ symposia zijn daarbij behulpzaam. Binnen de Europese Initial Training Networks is er een verscheidenheid aan ‘glyco’ trainingsprojecten te vinden zoal GlycoVax, GlycoPar, GlycoHIT en GlycoPharm, en het is belangrijk dat die vaak gericht zijn op de valorisatie van technologie, en de samenwerkingen met innovatieve industrie stimuleren. Maar het bereik van de glycobiologie zal tóch gelimiteerd blijven als zij niet kan integreren in de grote medische en biomedische thema’s. Niet alleen in de infectieziekten, maar ook in de immunologie, kanker, hart- en vaatziekten, en andere grote thema’s kunnen glycobiologische benaderingen tot grote successen gaan leiden. Het is daarvoor van belang dat ook vanuit die thema’s zélf de verbinding met de glycobiologie wordt gezocht. 

Dichter bij de basis stel ik voor leerdoelen met een glycobiologisch aspect in te bedden in het reguliere onderwijs voor studenten biomedische wetenschappen en geneeskunde. Zij  bepalen immers of in de toekomst de glycobiologie haar grote belofte helemaal kan waarmaken. Dit betreft bijvoorbeeld Infectious agents & immunity, en de MSc track van het medische onderzoeksprofiel Immunity, Infection & Tolerance van het LUMC. In samenwerking met andere betrokken onderzoeksleiders binnen het LUMC en de Universiteit Leiden zouden initiatieven zoals een Frontiers of Science cursus Medische Glycobiologie en een internationale Summerschool met als thema ‘Glycobiologie van infectie & immuniteit’ ontwikkeld moeten worden.  

Inbedding en de toekomst van het vakgebied

Het is duidelijk dat ik een bijzondere fascinatie voor de glycobiologie van wormeninfecties heb ontwikkeld. Een glycobioloog kan zich uitleven op de eindeloze reeks wetenschappelijke vragen die bij deze infecties worden opgeroepen. Maar belangrijk is ook ons te realiseren dat er veel translationele mogelijkheden aan de glyco-wetenschappen zitten die voorspelbaar tot nieuwe therapeutica en diagnostica kunnen leiden. Veel van de kennis die we op doen bij de bestudering van parasitaire wormen is valoriseerbaar in bredere kaders. Vrijwel zonder uitzondering worden bij de infectie met een pathogeen, of het nu een virus, een schimmel, een bacterie of een parasiet is, glycoconjugaten ingeschakeld. Deze vormen de sleutel, of in ieder geval één van de sleutels tot het succes van de infectie, en daarmee ook de sleutel tot de bestrijding ervan. 

Het is een enerverende tijd om aan gastheer-pathogeen interacties te werken. Ik zie het als een mooie opdracht om mijn kennis en methodologische expertise uitgebreider in te zetten in het Centrum voor Infectieziekten (CID) waar de afdeling Parasitologie onderdeel van uitmaakt. Overkoepelende CID thema’s en initiatieven bieden ongekende mogelijkheden om nieuwe glycobiologische kennis op te doen, of juist om de beschikbare expertise als een verbindende factor te implementeren. Opkomende infectieziekten zoals veroorzaakt door het zikavirus of zoonotische pathogenen maken ook weer gebruik van glycanen die het probleem kunnen helpen verklaren en bestrijden. Gecontroleerde humane infecties, zoals nu al met schistosomen en mijnwormen op het LUMC worden uitgevoerd, geven ons de mogelijkheid de anti-glycaan immuunreactie in mensen te volgen en daar diagnostische of therapeutische middelen op te baseren. Het microbioomprogramma en de daarmee samenhangende glycobiologie is nog grotendeels onontgonnen. Zou het niet fascinerend zijn om verder uit te zoeken hoe het microbioom het individuele anti-glycaan antilichaam repertoire dat ieder van ons met zich meedraagt beïnvloedt? Zulke studies kunnen als onderdeel van de big data verzameling waarin ook genomische, metabole, immunologische en demografische gegevens zijn opgenomen, een bijdrage leveren aan het begrijpen van de moleculaire interacties tussen de mens, haar omgeving, haar voeding, haar pathogenen en haar commensalen, en ons in staat stellen beter te begrijpen hoe een gezonde balans behouden of teruggewonnen kan worden.

Slotwoord

Verbindingen. Ik heb het woord vandaag in meerdere soorten context gebruikt. Dat suikerverbindingen in allerlei soorten en maten een rol spelen in de interactie tussen gastheer en pathogeen is evident. Dat glycanen verbindingen tussen organismen kunnen faciliteren zal ook duidelijk zijn geworden.  

Meestal is glycosylering een zeer complex gegeven in de moleculaire biowetenschappen, en dat heeft soms een afschrikkende werking. Het is daarom geweldig om te constateren hoe bij de afdeling Parasitologie in de afgelopen jaren een situatie is ontstaan waarbij veel studenten, promovendi, post-docs en groepsleiders, de complexiteit van glycosylering hebben omarmd en glycobiologie zien als een logisch onderdeel van hun moleculaire, cellulaire of immunoepidemiologische onderzoek. Glycobiologie verbindt vakgebieden. Onze eigen afdeling is daar het bewijs van, en moge nog vele anderen volgen. 

Tot slot, wat betreft de schistosomen die voor het overgrote deel van de aanwezigen niet direct persoonlijk relevant lijken, nog een kleine suggestie om straks bij de borrel over te praten. Zwemmersjeuk, het fenomeen van rode bultjes op de huid dat zich in Nederland vooral in de zomer voordoet bij mensen die in opgewarmde meertjes hebben gezwommen, wordt veroorzaakt door de vogelschistosoom Trichobilharzia ocellata. Die komt voor in allerlei soorten en maten van Oost- tot West-Europa en van Spanje tot IJsland. Deze schistosoom is compatibel met een andere gastheer dan de mens, in dit geval de eend. Recent hebben we met glycomics aangetoond dat de glycanen van de vogelschistosoom net iets anders zijn dan die van de mensenschistosoom en ook andere reacties opwekken in een eend dan in een mens. Het zou me niet verbazen als we het aan een glycobiologisch mechanisme te danken hebben dat de vogelschistosoom bij een poging ons te infecteren gelukkig niet veel verder komt dan de huid, en daar al het loodje legt.

Dankwoord 

Mijnheer de Rector Magnificus, leden van de Raad van Bestuur, zeer gewaardeerde toehoorders, graag sluit ik mijn rede af met een dankwoord.

Het College van Bestuur van de Universiteit Leiden en de Raad van Bestuur van het Leids Universitair Medisch Centrum ben ik dankbaar voor het vertrouwen dat u met mijn benoeming in mij en mijn vakgebied heeft gesteld. 

Velen hebben een onmisbare en onmiskenbare rol gespeeld in de totstandkoming van mijn vakgebied, mijn leerstoel, en mijn persoonlijke wetenschappelijke ontwikkeling. Ik dank uw allen, en enkelen wil ik graag specifiek noemen.

De hoogleraren Kamerling en Vliegenthart, Hans en Hans, die mij een gedegen opleiding en moleculaire kennis van suikers en suikerverbindingen hebben meegeven. In die tijd was fucose nog geen rood driehoekje. 

Hooggeleerde André Deelder, die eerder nog dan voor proteomics en metabolomics, de waarde van glycomics voor de parasitologie en het LUMC al inzag. Dank dat ik nadat ik een aantal jaren met plezier de ene helft van mijn tijd aan proteomics en glycomics en de andere helft aan schistosomiasis had besteed, de ruimte heb gekregen full-time mijn eigen onderzoekslijnen binnen de parasitologie te ontwikkelen.

Hooggeleerde Maria Yazdanbakhsh, afdelingshoofd Parasitologie, ben ik veel dank verschuldigd. Maria, jouw tomeloze energie en inspirerende persoonlijkheid vormen samen met je wetenschappelijke visie de essentiële factoren in de optimale mix waarin mijn leerstoel en ikzelf zich verder kunnen ontwikkelen. 

Hooggeleerde Manfred Wuhrer, zeer bedankt voor de grote bijdrage aan de ontwikkeling van de glyco-massaspectrometrie en haar toepassingen, vooral in de tijd dat we nog bij de zelfde afdeling zaten. We zijn nu verschillende glycotypes, maar ik kijk er naar uit om in samenwerking belangrijke doelen op het gebied van de glycobiologie na te blijven streven.

Ik dank mijn internationale collega’s, waaronder die van de TheSchistoVac, Paravac en RADIO consortia. Samen met mijn directe collega’s uit Leiden hebben zij veel bijgedragen aan mijn wetenschappelijke carrière, én vorm gegeven aan een divers netwerk dat mij de kans heeft geven naar plekken te reizen en mensen te ontmoeten die ik anders niet had gekend. De invloed daarvan is zeer motiverend geweest.

Lieve Nicole. De suikerverbindingen hebben ook óns verbonden. Je hebt de glyco-wereld al een aantal jaren geleden de rug toegekeerd, maar gelukkig blijven er nog zo veel andere dingen over die ons verbinden.

Lieve ouders, als laatste wil ik graag kwijt dat jullie twee de enigen zijn die echt aan mijn gehéle studie en loopbaan hebben bijgedragen. Nooit door me te vertellen wat ik wel of niet moet doen, maar altijd door mijn keuzes te respecteren en maximaal te ondersteunen. Zonder jullie opvoeding en die ondersteuning had ik hier nu niet gestaan.

Ik heb gezegd.