Orgaan op chip, zegt u?

Door Quinten Helwig

Het project ‘biomat on microfluidic chip’ doet vanuit de regeneratieve geneeskunde onderzoek naar het nabootsen van de lichaamsomgeving op een chip.  Hiervoor wordt lichaamsweefsel op een chip geplaatst om te analyseren hoe het lichaam zal reageren op een specifieke behandeling. Pamela Habibovic is projectleider van Biomat en gaf ons inzicht in dit complexe project.

Kan je het project ‘Biomat on microfluidic chip’ introduceren?

In het project Biomat proberen we de omgeving zoals die in het lichaam is na te bootsen op een chip. Je neemt bijvoorbeeld stamcellen van de patiënt uit het beenmerg en kweekt deze in een chip tot weefsel, zoals bot of spier. Vervolgens breng je dit in contact met de materialen die je wil testen en analyseer je de reactie. Op deze manier trachten we op microschaal de omgeving zoals die in het lichaam is na te bootsen. We richten ons binnen het project specifiek op biomaterialen voor regeneratieve geneeskunde, materialen die ingebracht worden in het lichaam voor het herstellen van de natuurlijke functies van weefsel en organen. Daarnaast zijn er ook permanente implantaten die passief een functie van een lichaamsdeel overnemen, zoals bijvoorbeeld een heupimplantaat. De klassieke manier om deze materialen te testen is door in het laboratorium cellen aan te brengen op het materiaal en te analyseren hoe de cellen reageren. Dit zegt echter weinig over de functionaliteit van de materialen. Daarom zijn we momenteel nog sterk afhankelijk van de studies met dieren. Door de proeven uit te voeren op deze microfluïde chips wordt het aantal dierstudies verkleind en kan er meer getest worden in een vroeg stadium. Dit zorgt hopelijk voor een versnelling en verbetering van de ontwikkeling van biomaterialen. 


Het groeien van weefsel in een chip om te kijken hoe dit op een behandeling zou reageren klinkt futuristisch. Hoe ziet dit proces en de ‘orgaan op chip’ er in de praktijk uit? 

De binnenkant van de chip bestaat uit kleine bakjes waarin op microschaal cellen gekweekt worden tot een weefselachtig materiaal. Ook worden er in de bakjes biomaterialen geplaatst zoals bijvoorbeeld keramische- of polymeermaterialen. Om te zorgen dat de cellen in leven blijven worden er via de buitenkant vloeistofstromen met voedingsstoffen door de bakjes geleid. Binnen één chip wordt hierbij gefocust op een specifiek weefsel, zoals bot of spier. Daarnaast zie je in het veld steeds meer dat men in de richting gaat van ‘body on chip’. Je hebt dan vele chips die verschillende organen nabootsen en met elkaar verbonden worden via vloeistofstromen. Op deze manier wordt gekeken naar het effect van de behandeling van een specifiek orgaan op een ander orgaan. Dit is echter zeer gecompliceerd en op het moment ligt de focus vooral op de analyse van individuele weefsels en organen.

Als de meetopstelling is gerealiseerd, worden de processen binnen deze bakjes op verschillende manieren geanalyseerd. De bakjes zijn bijvoorbeeld doorzichtig zodat met een microscoop de cellen bekeken kunnen worden. Daarnaast voeren sensoren constant metingen uit waardoor het experiment niet stilgelegd hoeft te worden om de resultaten te bekijken. Tenslotte kunnen we de chip koppelen aan een apparaat dat meet welke stoffen er in de vloeistoffen zitten die langs het weefsel en biomaterialen zijn gegaan. Op deze manier wordt de interactie van het weefsel met de materialen geanalyseerd. 

Dit klinkt technisch zeer complex. Wat waren de grootste uitdagingen waar jullie tegenaan liepen bij de ontwikkeling?

Ten eerste de technische integratie. Je kan alle losse onderdelen goed onder controle hebben, maar vervolgens moet dit geïntegreerd worden in één platform waarbij verschillende materialen over een langere periode getest worden. Zoals eerder genoemd zijn de bakjes bijvoorbeeld transparant, maar de sensoren die worden ingebracht zijn echter niet volledig doorzichtig wat de metingen hindert. De tweede uitdaging is de validatie. Nadat het platform is ontwikkeld moet ook bewezen worden dat de processen binnen de chip hetzelfde verlopen als de processen binnen het lichaam. Dat is niet specifiek een uitdaging van dit project, maar ook voor het veld als geheel. De claim dat je iets wat in het lichaam gebeurt nabootst is sterk, maar je moet ook een validatiestap ondergaan om dit te bewijzen. Tenslotte worden er op het moment meerdere ‘on chip’ platformen ontwikkeld voor toxicologie of om het effect van bepaalde medicijnen te analyseren. Het vernieuwende aspect van Biomat is dat we biomaterialen testen. De materialen die getest worden zoals titaan, kunststof en keramiek, ademen echter niet en zijn niet transparant. Dit brengt ook nieuwe uitdagingen met zich mee.

Wat zijn de beperkingen van het werken met de ‘on chip’ methode?

Een belangrijke beperking is dat het werken met deze methode momenteel veel technische expertise vereist. Hoe zorg je ervoor dat het platform goed in elkaar zit, er niks lekt en dat er geen bubbels gevormd worden? Het is in dat opzicht technisch een ingewikkeld platform. Ik denk dat we aan het einde van het project kunnen laten zien dat we ver zijn gekomen, maar dat is alsnog pas een begin. De vervolgstap is om te zorgen dat het proces gestandaardiseerd wordt. We werken naar parallellisatie toe. Dat je een platform hebt waarin je met 100 chips tegelijkertijd experimenten kan doen en waarmee je dus 100 materialen tegelijkertijd kunt testen. Hiervoor is automatisering een vereiste.

Wat zijn jouw dromen voor de toekomst over de ‘orgaan op chip’? 

In ons veld, de regeneratieve geneeskunde, is het einddoel altijd om de patiënt beter te maken. Alles wat we doen is gericht op een betere therapie en behandeling. We lopen echter tegen testbeperkingen aan bij de ontwikkeling van de biomaterialen, onder andere omdat het een tijdrovend proces is. Ik hoop dat de ontwikkelde technologie binnen Biomat ons kan helpen om deze beperkingen van ons af te schudden. Dat we een chip ontwikkelen waarmee je allerlei verschillende eigenschappen van een materiaal kan testen om die vervolgens op een slimme manier met elkaar te combineren. Een voorbeeld is keramisch materiaal, wat veel gebruikt wordt in botten. Dit materiaal werkt goed vanuit chemisch perspectief, maar is heel broos en breekt makkelijk af. Ik hoop dat we met de ‘on chip’ technologie beter zullen begrijpen wat de interactie is tussen bepaalde eigenschappen, zodat we dat kunnen inzetten om nieuwe biomaterialen te ontwikkelen die botgroei stimuleren maar ook heel sterk zijn. Het doel is hierbij om de testfase te automatiseren en te vergemakkelijken zodat de wetenschappers zich volledig op de ontwikkeling van de biomaterialen kunnen richten. 

Hoe verwacht je dat het project zich verder zal ontwikkelen?

Dit is altijd lastig in te schatten bij wetenschappelijk onderzoek. Je krijgt voor het project een beperkte tijd om je daar volledig op te richten. Bij dit project ben ik heel blij met het partnerschap dat we bij elkaar hebben gebracht. Het partnerschap bestaat uit een combinatie van academische en commerciële partners waarbij iedereen zeer gedreven is om resultaten te behalen. Binnen Nederland zijn er een aantal grote consortia die focussen op het onderzoek naar de ‘orgaan op chip’. Interreg heeft ons de mogelijkheid geboden om binnen dit gebied alsnog een niche te vinden waar anderen zich nog niet op richten. Het heeft ons geholpen om hierin goede vooruitgang te boeken. Daarnaast werkt de fysieke nabijheid van de verschillende partijen ook als een voordeel, wat ik van tevoren niet had verwacht. Ik zie nu bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van de sensoren dat er continu heen en weer wordt gegaan waarbij het soms nodig is om fysiek samen te komen. 

Dit soort onderzoek is een werk van lange adem waarbij de ontwikkeling veel tijd in beslag neemt. Ik hoop voor de toekomst dat we de goede samenwerking met het partnerschap na afloop van de projectperiode voort kunnen zetten zodat we dit onderzoek kunnen door ontwikkelen.

Alle berichten

Quinten is beleidsmedewerker en verdiept zich vooral in de thema's milieu en innovatie.