Wetenschap

Brein van dood varken gedeeltelijk ‘gereanimeerd’

In een nieuw experiment dat ongetwijfeld een levendig debat over ethiek en levensvragen zal uitlokken, zijn onderzoekers erin geslaagd de bloedsomloop en zuurstoftoevoer in de hersenen van een dood zoogdier te herstellen. vrijdag, 19 april 2019

Door Michael Greshko

De wetenschappers konden in de hersenen van 32 varkens die al uren dood waren, celfuncties weer op gang te brengen. Het experiment kan tot een nieuwe benadering bij de behandeling van hersenaandoeningen leiden – en zet de gebruikelijke definitie van ‘hersendood’ geheel op losse schroeven. Het onderzoek werd afgelopen woensdag door onderzoekers van de School of Medicine van de Yale University gepresenteerd in het tijdschrift Nature. Voor hun experiment ontwierpen de wetenschappers een circulatiesysteem genaamd ‘BrainEx’, vergelijkbaar met een dialyseapparaat, waarmee de bloedsomloop en zuurstoftoevoer in dode varkenshersenen kon worden hersteld.

Voor hun experiment hebben de onderzoekers geen enkel dier gedood, want ze maakten gebruik van varkenskoppen afkomstig uit een vleesfabriek bij New Haven, Connecticut. De varkens waren eerder gedood voor de productie van vlees. Technisch gesproken bleven de varkens ook hersendood, want het behandelde weefsel vertoonde geen enkel teken van het soort georganiseerde elektrische signalen in de zenuwen dat nodig is voor enige vorm van bewustzijn.

“Klinisch gesproken is dit geen levend brein,” zegt Nenad Sestan, neurowetenschapper aan de School of Medicine van Yale en een van de auteurs van het nieuwe onderzoek.

Met het nieuwe systeem konden de hersenen in een veel betere toestand worden bewaard dan hersenen die zonder verdere ingrepen tot ontbinding overgingen. Zo werden functies als het opnamevermogen van glucose en zuurstof tot wel zes uur achtereen in stand gehouden. Volgens de onderzoekers zou de techniek een belangrijke bijdrage aan het medisch onderzoek kunnen leveren door veelbelovende mogelijkheden voor nader onderzoek naar hersen- aandoeningenen -ziekten te openen.

“We zijn hier echt opgetogen over, omdat het als platform kan dienen voor een beter inzicht in behandelmethoden ten behoeve van mensen die een hartaanval hebben gehad en bij wie de normale bloedtoevoer naar de hersenen was afgesneden,” zegt Khara Ramos, hoofd van het Neuroethics Program van het Amerikaanse National Institute of Neurological Disorders and Stroke. “Het vergroot zeker ons vermogen om ingewikkelde, driedimensionale en grootschalige verbanden tussen cellen in het brein te bestuderen,” zegt zij.

Toch roept het experiment ook flink wat ethische vragen op, maar de onderzoekers verwelkomen dat debat.

“Dit is een opmerkelijke en zeer veelbelovende doorbraak voor de neurowetenschap. Het biedt meteen een beter model voor het onderzoek naar het menselijk brein en dat is buitengewoon belangrijk, gezien de enorme hoeveelheid mensen dat aan mentale en neurologische aandoeningen lijdt,” zegt Nita Farahany, bio-ethicus aan de rechtenfaculteit van de Duke University. Farahany schreef ook een begeleidend commentaar bij de nieuwe studie in het tijdschrift Nature.

“Het stelt een heleboel fundamentele vooronderstellingen in de neurowetenschappen ter discussie, zoals het idee dat het organisme onherstelbaar begint af te sterven wanneer de zuurstoftoevoer naar de hersenen eenmaal is gestopt,” zegt zij. “Dat blijkt niet juist te zijn – en omdat het niet juist is, roept het een grote hoeveelheid diepgravende ethische en juridische vragen op.”

Definitie van 'dood'

De dood is onherroepelijk, maar het aantal echt onherstelbare medische toestanden is in de loop der geschiedenis geleidelijk afgenomen. Duizenden jaren lang werd gedacht dat mensen dood waren als ze niet meer ademhaalden en hun hart ophield met kloppen. Maar de moderne medische wetenschap dacht daar anders over. Door de uitvinding van beademingsapparatuur konden haperende lichamen langer in leven worden gehouden, terwijl decennia van vooruitgang op het gebied van hartchirurgie en -transplantatie ervoor heeft gezorgd dat zelfs mensen met een hart dat niet meer klopt, niet per se dood zijn.

Maar het brein blijft een veeleisende patiënt. Hersenen van zoogdieren als de mens zijn zeer geavanceerde machines: ze hebben een voortdurende toevoer van zuurstofrijk bloed nodig om goed te kunnen functioneren. Wanneer die bloedtoevoer wordt afgesneden, verliest iemand al na een paar seconden het bewustzijn. Binnen vijf minuten zijn voorraden van vitale moleculen als glucose en ATP – adenosinetrifosfaat, dat de chemische energiehuishouding van het brein verzorgt – opgebruikt.

Het brein begint dan aan een zwanenzang die door medici als ‘onherstelbaar’ wordt beschouwd – althans tot nu toe. De delicate chemische balans van de zenuwcellen wordt verstoord, de opeenhoping van kooldioxide maakt het bloed van de hersenen te zuur en het vrijkomen van de krachtige neurotransmitter glutamaat is al snel giftig voor het brein. Ook komen er enzymen vrij die het zenuwweefsel afbreken, terwijl de fijnere structuren en bloedvaatjes in de hersenen beginnen te knappen en scheuren.

Hoe beter onderzoekers dit proces bestudeerden, des te meer werd het gezien als onderdeel van de eigenlijke definitie van de dood. In 1968 riep de Harvard-universiteit een comité van artsen bijeen om met een baanbrekende definitie voor een ‘onherstelbare coma’ te komen, iets wat tegenwoordig ‘hersendood’ wordt genoemd. Daarbij reageren de hersenen nergens meer op, kan de patiënt niet meer zelfstandig ademhalen, zijn er geen lichaamsreflexen meer en is er geen grootschalige elektrische activiteit in het brein meer te herkennen. De American Academy of Neurology heeft een checklist samengesteld aan de hand waarvan medici kunnen beoordelen of een patiënt inderdaad hersendood is.

Maar er waren al enige tijd aanwijzingen dat de hersenen misschien toch robuuster zijn. Zo is gebleken dat bepaalde delen van de hersencellen, zoals de mitochondriën die cellen van energie voorzien, tot wel tien uur na het intreden van de dood kunnen blijven werken. En wetenschappers zijn erin geslaagd om bij katten en makaken de hersenfunctie voorzichtig weer op gang te brengen nadat de bloedtoevoer gedurende één uur was afgesneden. Bij mensen laten enkele medische gevallen zien dat het brein zich soms na relatief lange tijd weer kan herstellen. In 2007 meldden onderzoekers dat een vrouw die aan acute onderkoeling leed – en een lichaamstemperatuur van onder de achttien graden had – daarna neurologisch volledig herstelde.

Werkend, maar niet bewust

Het team van Sestan en zijn collega’s, dat onder leiding stond van Zvonimir Vrselja en Stefano Daniele, wilden testen in hoeverre het complexe brein van een zoogdier zich kan herstellen. En daarvoor bedachten ze een systeem dat ze ‘BrainEx’ noemden.

BrainEx bestaat uit een stel computergestuurde pompen en filters die een voedende vloeistof door een afgestorven en chirurgisch geprepareerd brein sturen. Daarbij wordt het natuurlijke ritme van toe- en afname in de bloedsomloop nagebootst. De gepatenteerde vloeistof is gebaseerd op hemoglobine, de proteïne die zuurstof door het bloed transporteert, en is speciaal vervaardigd om in een echografie op te lichten, zodat de onderzoekers de vloeistof op zijn weg door de hersenen konden volgen. De Yale-universiteit heeft namens de bedenkers van de vloeistof patent op het systeem aangevraagd, maar alle onderdelen en technieken die in het BrainEx-experiment zijn gebruikt, worden kosteloos ter beschikking gesteld aan non-profitorganisaties en academici.

Het team nam maatregelen om te voorkomen dat een behandeld brein zou ‘ontwaken’, laat staan zich op een of andere wijze bewust zou zijn van de behandeling. Hoewel geen van de hersenen in het experiment enig teken van bewustzijn vertoonde, waren de onderzoekers voorbereid om meteen verdoving toe te dienen en de temperatuur van het brein te verlagen mocht er iets misgaan. Bovendien voegde het team bestanddelen aan de vloeistof toe om de neurale activiteit van het brein te blokkeren, zodat de hersencellen nog meer tot rust zouden komen en de kans op herstel werd vergroot.

“Het was niet de bedoeling van het onderzoek om het bewustzijn weer op gang te brengen – eerder het tegendeel,” zegt Stephen Latham, directeur van het Interdisciplinary Center for Bioethics van de Yale-universiteit en medeauteur van de nieuwe studie.

Eerst controleerde het team of de BrainEx-machine de bloedsomloop in de hersenen weer op gang kon brengen, ook in de kleinste bloedvaatjes. Dat lukte. Ook bevestigden de onderzoekers dat de bloedvaten van het brein gezond genoeg waren om zich te verwijden als antwoord op medicatie. Vervolgens controleerden ze hoe goed BrainEx de algehele structuur van het hersenweefsel in stand kon houden. Hersenen die door BrainEx waren behandeld, leken niet veel te verschillen van hersenen van levende dieren of van dieren die nog maar een uur dood waren. Tien uur na het intreden van de dood waren behandelde hersenen in veel betere staat dan onbehandelde hersenen.

Ook gedeelten van het brein die bijzonder kwetsbaar zijn voor zuurstofgebrek, zoals de hippocampus, bleven onder behandeling van BrainEx intact, evenals de structuur van afzonderlijke zenuwcellen. Terwijl de onderzoekers tijdens de circulatie van de vloeistof door de hersenen de chemische samenstelling ervan bestudeerden, zagen ze dat de hersenen kooldioxide aanmaakten en glucose en zuurstof verbruikten – aanwijzingen dat het metabolisme in het gehele brein weer op gang kwam.

Hoewel de onderzoekers ervoor zorgden dat de behandelde hersenen geen grootschalige activiteit konden ontplooien, sneden ze er kleine plakjes hersenweefsel uit om te testen of afzonderlijke zenuwcellen in de hippocampus ook na de behandeling nog actief konden zijn. Ook dat bleek het geval.

“Dat resultaat was voor mij als alledaagse neurowetenschapper nog het meest verrassend,” zegt Christof Koch, directeur van het Allen Institute for Brain Science. Koch was niet betrokken bij dit nieuwe onderzoek. “De cellen waren nog altijd in staat om pieken te vertonen, en die staan voor snelle elektrische signalen. Dat betekent dat de zenuwcellen in principe neurale activiteit konden ontplooien.”

De ethiek van dierenonderzoek

Het BrainEx-team is zich heel wel bewust van de ethische implicaties van het experiment. Daarom hebben de onderzoekers gedurende jaren advies ingewonnen van vooraanstaande neurowetenschappers en ethici. De Neuroethics Working Group, het samenwerkingsverband onder auspiciën van het BRAIN Initiative van de National Institutes of Health (NIH) dat het experiment ook financierde, heeft vanaf 2016 met Sestan overlegd. Ook legden de onderzoekers hun werk in 2017 voor aan een congres over bio-ethiek van de Duke University, en in 2018 aan een workshop van de NIH.

“Baanbrekend wetenschappelijk onderzoek heeft baanbrekende ethiek nodig,” zegt Ramos, algemeen secretaris van de Neuroethics Working Group. “Er bestaat een robuust kader van regels en procedures waaraan onderzoekers die door ons worden gefinancierd moeten voldoen, maar de ontwikkeling en toepassing van nieuwe neurologische technologieën kan ertoe leiden dat we die ethische regels opnieuw gaan bekijken en dat standaards zich verder ontwikkelen,” zegt zij.

Zo roept het nieuwe onderzoek vragen op over het ethisch gebruik van dieren in experimenten. Omdat alleen levende dieren pijn of angst kunnen ervaren, worden momenteel twee soorten regels toegepast: een voor levende dieren en een voor dood dierweefsel. Maar welke regels moeten worden toegepast op hersenen van dode dieren die door BrainEx worden behandeld, vooral als er de kans bestaat dat ze gedeeltelijk weer ‘ontwaken’?

“Er zit een gapend gat in de bescherming die we bij het gebruik van laboratoriumdieren hanteren, want we krijgen nu te maken met een categorie van dieren die deels worden gereanimeerd en een beetje leven, met daarbij het potentieel – iets wat we nog niet helemaal begrijpen – dat alle levensfuncties worden hersteld,” zegt Farahany, die eveneens lid is van de Neuroethics Working Group. “Als je de hersenen van varkens of andere dieren wilt reanimeren, betekent het dan dat je opeens te maken hebt met een levend laboratoriumdier in plaats van met dood weefsel?”

Volgens experts draait de ethische discussie in dit geval om de vraag of BrainEx in staat is om het onderzoek naar menselijke aandoeningen vooruit te brengen of zelfs mensen voor hersendood te behoeden.

“We kunnen een dier niet zomaar uit wetenschappelijke nieuwsgierigheid pijn doen of angst aanjagen – tenzij daar een zeer goede reden voor is en de experimenten verantwoord zijn,” zegt Koch. “Het gaat er dus om dat we de methode kunnen gebruiken om menselijke hersenen te redden, niet alleen maar om te kijken wat er gebeurt.”

Volgens experts leiden de ethische implicaties van het BrainEx-experiment onherroepelijk tot de volgende vraag: zou het ook bij mensen kunnen werken? Puur technisch gesproken denkt Koch dat zoiets geen ingewikkelde stap zou zijn, omdat zowel varkens als mensen grote hersenen met complex gevouwen weefsels hebben. Maar Koch en alle andere experts die door National Geographic om commentaar werden gevraagd, waarschuwen voor een ontwikkeling in de richting van dat soort experimenten.

In een breder perspectief zouden toekomstige versies van BrainEx het proces van orgaandonatie kunnen compliceren door de definitie van ‘hersendood’ te verschuiven. Dat schrijven de bio-ethici Stuart Youngner en Insoo Hyun van de Case Western Reserve University in een begeleidend commentaar in het tijdschriftNature. Maar Kevin Cmunt, directeur van Gift of Hope, een van de grootste transplantatienetwerken in de VS, ziet BrainEx niet als een storende factor. Volgens hem zijn orgaandonors die hersendood zijn verklaard in veel gevallen veel langer blootgesteld aan zuurstoftekort dan de hersenen in het experiment of hebben ze zeer ernstige fysieke verwondingen opgelopen.

“Ik denk dat deze ingreep voor de overgrote meerderheid van hersendode donors niet relevant zou zijn,” zegt hij. “Er zijn misschien enkele specifieke gevallen waarin BrainEx van invloed zou kunnen zijn op de beslissing om te doneren, maar ik denk dat het dan om een relatief klein aantal gaat.”

Als BrainEx ooit klinisch zou worden toegepast, denkt Cmunt dat de methode zal worden gebruikt als aanvulling op een reeks van behandelingen die worden toegepast voordat iemand hersendood wordt verklaard en voor het beëindigen van kunstmatige beademing. De belofte dat hersenweefsel zich zou kunnen herstellen, zou zelfs de kans op orgaandonaties kunnen verhogen, omdat medici meer redenen zouden hebben om de bloedsomloop in de hersenen op gang te houden. Als patiënten zelfs na een behandeling met BrainEx toch hersendood verklaard zouden worden, zouden hun organen zich volgens hem in een betere staat kunnen bevinden en beter geschikt zijn om te doneren.

“Ik zie dit dus niet als een conflict,” zegt Cmunt. “Deze behandeling zou ongetwijfeld deel gaan uitmaken van de zorg, net zoals onderkoelingsprotocollen en andere zaken die we doen om schade aan organen en hersenen te voorkomen,” zegt hij.

Nog maar een begin

Op het meest fundamentele niveau laat het debat rond BrainEx zien hoe de definitie van de dood zelf is verschoven door onze voortuitgang in kennis en door steeds betere behandelmethoden.

“Stel je voor dat je in een kliniek bent waar je vader hersendood is verklaard en je hebt zojuist dit artikel gelezen,” zegt Koch. “Dan vraag je de chirurg wat dat precies betekent: ‘hersendood’. Hij antwoordt dat het om een onherstelbaar verlies van hersenfuncties gaat en dan zeg jij: wacht eens even, ik heb net in een artikel gelezen dat ‘onherstelbaar’ binnenkort misschien niet meer als ‘onherstelbaar’ wordt gezien.”

Dat het in het BrainEx-experiment om het grensvlak tussen leven en dood draait, doet denken aan sciencefiction. In de meest macabere versie daarvan zouden mensen kunnen denken aan Frankenstein en het idee dat de doden weer tot leven kunnen worden gewekt. Maar volgens Farahany zijn we mijlenver verwijderd van zo’n doorbraak.

“Er zit zeker een flinke dosis sciencefiction in. Het gaat om een herstel van celfuncties, iets wat we voorheen niet voor mogelijk hielden. Maar om een monster van Frankenstein te creëren heb je toch een vorm van bewustzijn nodig, een vorm van ‘zijn’,” zegt zij. “In dit experiment werd geen enkele vorm van bewustzijn hersteld, en het is onduidelijk of zoiets ooit mogelijk zou zijn. Maar we zijn wel een stapje dichterbij die mogelijkheid gekomen.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com. Het artikel is geactualiseerd om de huidige functie van Khara Ramos te verduidelijken.

Lees meer