Proefdier kan plaatsmaken voor laboratoriumchip

Het vakgebied van de microfluïdica is inmiddels een jaar of twintig oud. Simpel gezegd komt het erop neer dat kleine hoeveelheden vloeistof door kanalen in een chip verplaatst worden met bijvoorbeeld minuscule elektrische velden of druk. De vloeistof kan langs kamers met een reactievloeistof geleid worden en langs sensoren, die iets zeggen over de (veranderende) samenstelling ervan.

De eerste jaren stonden vooral in het teken van de beheersing van de technologie: hoe verplaats je de vloeistof en hoe kun je de eigenschappen ervan meten. Al snel deed de term ‘lab on a chip’ opgeld, omdat de chip de traditionele reageerbuis verving. Inmiddels is het vakgebied echter volwassen en blijkt de chip dingen te kunnen die in de reageerbuis ondenkbaar zijn.

‘Multiplex screening bijvoorbeeld’, vertelt de Groningse hoogleraar analytische chemie prof.dr. Sabeth Verpoorte. ‘Daarbij verdeel je van een patiënt afgenomen kankercellen over honderden putjes op een chip, waarna je ze ieder blootstelt aan een bepaalde cocktail van medicijnen om te kijken welk mengsel het beste aanslaat. Normaal gesproken is het finetunen van de beste medicijnenmix erg moeilijk, maar met de chip kun je vele combinaties snel testen.’

Stamcellen

‘Het vakgebied beweegt zich meer en meer in de richting van de biologie’, analyseert Verpoorte. Bij het werken met complexe vloeistoffen zoals bloed (een mengsel van levende cellen en vele soorten eiwitten) zijn de voordelen van een chip namelijk het grootst, omdat de condities beter beheersbaar zijn. De conferentie telde op dit vlak opvallend veel bijdragen.

Neem onderzoek met stamcellen, die afhankelijk van de condities uitgroeien tot specifieke lichaamscellen, van simpele huidcellen tot neuronen. Menselijke stamcellen zijn moeilijk om aan te komen (overgebleven embryo’s bij een ivf-behandeling zijn de belangrijkste bron), dus is men er zuinig mee. Bovendien is een strikte beheersing van de condities noodzakelijk om te begrijpen hoe stamcellen de ‘keuze’ maken om tot een bepaalde cel uit te groeien. Beide randvoorwaarden vragen om een microklimaat dat op een chip goed te realiseren valt. Op de chip valt de situatie in het menselijke lichaam beter te simuleren dan in een buisje.

Paaltjes en druppels

Hoewel het accent op toepassingen is komen te liggen, is ook de technologie van het lab op een chip zelf nog volop in ontwikkeling, constateert Verpoorte. ‘Er wordt nog veel gewerkt aan nieuwe materialen en oppervlaktestructuren. Nieuwe materialen en oppervlaktemodificatie zijn beide belangrijk voor biomedische toepassingen, onder andere omdat biomoleculen in complexe monsters zoals bloed vaak blijven plakken aan de kanaalwandjes en dan niet meer gemeten kunnen worden. Als een materiaal adhesie van bijvoorbeeld eiwitten voorkomt, levert dat betere metingen op.’

Twee relatief nieuwe technologische trends zijn paaltjes die als een soort zeef werken en druppels in plaats van vloeistofstromen. De zeefjes zijn bedoeld voor vloeistoffen zoals bloed, die grotere en kleinere componenten bevatten. In een woud van paaltjes blijven de grootste componenten (cellen) als eerste hangen. Er wordt nog veel onderzoek gedaan naar de vorm en plaatsing van paaltjes voor een optimaal resultaat. Een van de opvallendste vondsten tot nu toe, gedaan door keynote spreker prof.dr. Robert Austin van Princeton University, is dat bacteriën blijken te kunnen samenwerken om de uitweg uit een doolhof te vinden waar ze in kleine groepjes niet uitkomen.

De tweede trend wordt ook wel de ‘digitalisering’ van het lab op een chip genoemd. Op de eerste chips werden vloeistofstromen rondgepompt. Inmiddels beheerst men de technologie om de vloeistof in hele kleine druppels (enkele picoliters) onder te verdelen, soms wel duizenden per chip. Die druppels vormen ieder voor zich een klein reactievat. Een ‘lopende band’ leidt de druppels razendsnel langs de actieve componenten op de chip.

Proefdieren

Allicht de grootste uitdaging voor het vakgebied is echter niet zozeer het bedenken van nieuwe technieken als wel het integreren van de vele functies die in de afgelopen jaren ontwikkeld zijn. Verpoorte: ‘Dat is niet alleen een technisch, maar ook een chemisch probleem. Wanneer je een vloeistof chemisch analyseert, verandert ze immers van samenstelling. Dat heeft gevolgen voor hoe je er verderop op de chip mee om moet gaan.’ Wanneer bijvoorbeeld de viscositeit van de vloeistof verandert, afhankelijk van hoe de test uitpakt, heeft dat gevolgen voor de kracht waarmee de druppel voortgestuwd moet worden naar de volgende test.

Die integratie biedt echter ongekende mogelijkheden, bijvoorbeeld op het terrein van de medicijnen, waar Verpoorte met haar collega prof.dr Geny Groothuis, hoogleraar farmacokinetiek, een onderzoeksproject heeft lopen dat tot doel heeft het gebruik van proefdieren terug te dringen. Verpoorte: ‘Groothuis was gespecialiseerd in het maken van hele dunne plakjes weefsel om te kijken hoe medicijnen erdoor worden opgenomen. Die tests vonden echter op de traditionele manier plaats.’

Op een chip wordt het niet alleen mogelijk om snel verschillende medicijnen langs een weefsel te leiden, maar ook om verschillende weefsels achter elkaar te zetten. ‘Een van de grootste problemen in het farmaceutische onderzoek is de interactie tussen verschillende organen’, vertelt Verpoorte. ‘Dat kun je in vitro niet waarnemen. Met een chip kan dat wel, omdat je de onderlinge reactie van verschillende weefsels op de medicijnen kunt nagaan. Je krijgt zo als het ware een dier op een chip.’ (sync)