Hartcellen op een chip

Kloppende menselijke hartcellen op een chip moeten het geneesmiddelenonderzoek nieuw elan geven. Delftse onderzoekers werken aan zo’n chip: een elektronisch uitleesbaar mini-orgaantje.

De uitvinding van ir. Saeed Khoshfetrat Pakazad lijkt op een hondenbot uit een cartoon. Maar dan van slechts drie millimeter lang en het klopt als een hart. Op het filmpje dat de promovendus toont, zijn menselijke hartcellen te zien die synchroon op en neer gaan. Ze vormen een dun laagje weefsel op een rubber vliesje in de vorm van een kluif. Dat vliesje op zijn beurt zit vast op een silicium chip.

Het weefsel is op tientallen plekken verbonden met elektrodes. Met dit miniatuur orgaantje, waar aan alle kanten aan gemeten kan worden, hoopt Pakazad bijwerkingen van medicijnen in een vroeg stadium te detecteren. Geneesmiddelen worden regelmatig van de markt gehaald omdat ze bij een enkeling hartritmestoornissen veroorzaken of zelfs een hartstilstand.
Om de neveneffecten van nieuwe medicijnen grondig te onderzoeken, zijn experimenten nodig met levende en kloppende menselijke hartcellen. Op die manier is vast te stellen of personen met een bepaalde genetische aanleg gevoeliger zijn voor bijwerkingen dan anderen. Dat is de gedachte achter het onderzoeksprogramma Human organ and disease model technologies (HDMT). Behalve de TU Delft doet onder meer Philips mee aan het project, de andere twee TU’s, het VU, en de universiteiten van Utrecht en Leiden.

Foto: Sam Rentmeeste

Foto’s: Sam Rentmeester

Euforisch
Pakazad verrichtte zijn werk grotendeels bij Philips onder begeleiding van hoogleraar micro-elektronica prof.dr.ir. Ronald Dekker (EWI). De experimenten met de hartcellen deed hij samen met het Leidse biotechnologie bedrijf Pluriomics. Het hoogtepunt van zijn onderzoek was het moment dat Pakazad voor het eerst elektrische signalen van de hartcellen opving. “Ik was tijdelijk verhuisd naar de onderzoeksgroep van stamcelbiologe Christine Mummery van de Universiteit Utrecht om met een speciale signaalversterker aan mijn cellen te meten. En toen rolde daar eindelijk, na lang experimenteren, een mini-elektrocardiogrammetje uit de computer. Het had dezelfde vorm als de ECG van een echt hart.”

“De volgende stap is om medicijnen op de cellen te pipeteren en te kijken hoe ze reageren. Als het elektrische signaal van vorm verandert, kan dat duiden op cardiotoxiciteit.” Aan deze tests komt Pakazad niet meer toe. Hij verdedigde 15 juni zijn proefschrift.

En toen rolde daar eindelijk, na lang experimenteren, een mini-elektrocardiogrammetje uit de computer

Hoogleraar micro-elektronica prof.dr.ir. Lina Sarro (EWI) zet aan de TU het werk voort. “We willen de elektrische signalen nog beter uitlezen”, vertelt ze. “En we gaan werken aan tal van geminiaturiseerde sensoren. Denk aan sensoren die de krachten meten waarmee de cellen samentrekken en aan sensoren die de aanwezigheid meten van bepaalde ionen. Hoe meer we elektronisch kunnen meten, hoe makkelijker de data te analyseren zijn.”

Om betrouwbare metingen te kunnen doen, moeten alle krachten die hartcellen normaal gesproken ervaren zo natuurgetrouw worden nagebootst. Onder de cellen zit daarom een pompje dat het vliesje opblaast waardoor de cellen op en neer gaan en uitgerekt worden, net als in een echt hart.

Uitrekbare bedrading
Pakazad borduurde voort op het onderzoek van Ronald Dekker en Nikolai Böker, die in 2009 op dit onderwerp afstudeerde en ook al een prototype had ontwikkeld. Wat ontbrak aan de chip was de uitrekbare bedrading.

Hoe maak je elektrodes die uitgerekt kunnen worden? “Onderzoekers hebben in het verleden geëxperimenteerd met vloeibare metaallegeringen als elektrodemateriaal, met elastische geleiders en met elektrodes in de vorm van spoelen die meegeven, net als een telefoondraad. Maar al deze methoden waren niet geschikt voor massaproductie. Om interessant te zijn voor de farmaceutische industrie moet je tegen een lage prijs honderdduizenden chips kunnen maken.”

Pakazad ontdekte dat als je het vliesje de vorm geeft van een bot, zones ontstaan die nauwelijks rekken op het moment dat je het vliesje opblaast. Door de karakteristieke vorm is de krachtenverdeling niet overal gelijk. Daar maakte hij handig gebruik van. Hij liet de grootste elektrodes over die gebieden lopen die nauwelijks rekken.

Stamceltechnologie
Wereldwijd zijn tal van onderzoeksgroepen bezig met het nabootsen van organen op chips. Dat dit onderzoek de laatste jaren om zich heen grijpt, heeft te maken met drie factoren. Allereerst loopt de farmacie tegen haar grenzen aan. De geneesmiddelenindustrie beschikt niet over goede modellen om het gedrag van organen mee te bestuderen. Daarnaast zijn er betere polymeren ontwikkeld waar cellen goed op groeien. Maar het belangrijkst is een doorbraak uit 2006 in de stamceltechnologie.

De Japanner Shinya Yamanaka en de Brit John Gurdon ontwikkelden een techniek waarmee gespecialiseerde cellen terug gevormd kunnen worden tot stamcellen, de zogenaamde induced pluripotent stem cells (IPS) technology. Tot dan toe was het heel lastig om aan menselijke celen te komen voor experimenten. Gespecialiseerde cellen, zoals hartcellen, longcellen en neuronen hebben de mogelijkheid om te delen verloren en kunnen dus in principe niet gekweekt worden. Maar met IPS-technologie kun je een stukje huid nemen, de huidcellen reprogrammeren tot stamcellen, en deze stamcellen vervolgens laten uitgroeien tot elke gewenste celtype van het lichaam.

Pioniers
Experimenten met menselijke weefsels werden opeens beter reproduceerbaar. Je kunt nu talloze experimenten doen met weefsel van één persoon; met cellen die genetisch identiek zijn. Ronald Dekker vat de kracht van de techniek bondig samen. “Vroeger nam je een biopt van een hart, dan deed je een proef en dan hield het weer op. Dan kon je wel weer een biopt van iemand anders erbij nemen, maar dan had je te maken met andere genetica.”

De groep die de meeste furore maakt met haar mini-organen is het Wyss Institute van de Universiteit van Harvard. Onderzoekers daar bouwden enkele jaren geleden een soort long na. Aan de ene kant van een membraan lieten ze longepitheelcellen groeien en aan de andere kant bloedvat endotheelcellen. Met dit systeem onderzochten ze onder meer het effect van fijnstof op de longen.

“Die mensen daar zijn pioniers”, zegt Pakazad. “Maar een elektronisch leesbaar hart op een chip, dat ook nog eens kan rekken, dat hadden ze nog niet gemaakt”, lacht hij.

Saeed Khoshfetrat Pakazad: “Ik ben de eerste die een elektronisch leesbaar hart op een chip heeft gemaakt dat ook nog eens kan rekken.”

Saeed Khoshfetrat Pakazad: “Ik ben de eerste die een elektronisch leesbaar hart op een chip heeft gemaakt dat ook nog eens kan rekken.”

Hoogleraar micro-elektronica prof.dr.ir. Ronald Dekker werkt al jaren aan chips met kloppende hartcellen.

Hoogleraar micro-elektronica prof.dr.ir. Ronald Dekker werkt al jaren aan chips met kloppende hartcellen.

Hoogleraar micro-elektronica prof.dr.ir. Lina Sarro (EWI) zet aan de TU het werk van promovendus Pakazad voort. “We willen de elektrische signalen nog beter uitlezen.”

Hoogleraar micro-elektronica prof.dr.ir. Lina Sarro (EWI) zet aan de TU het werk van promovendus Pakazad voort. “We willen de elektrische signalen nog beter uitlezen.”

HDMT
De officiële aftrap van het samenwerkingsverband Human organ and disease model technologies vond plaats op 16 maart. De onderzoekers werkten al jaren samen in een losser verband. De hoop is dat farmaceuten nu, na de officiële lancering, meer aansluiting zullen zoeken en dat er extra geld zal komen.

HDMT heeft behalve het hartonderzoek nog twee onderzoekslijnen. De universiteit Twente en de VU Amsterdam nemen het voortouw in bloedvatenonderzoek. Ze gaan proberen vaten na te bouwen op chips om vervolgens onder meer onderzoek te doen naar trombose en infecties van bloedvaten. Biochemici van de TU Eindhoven willen kankercellen op een chip kweken.

Blijf op de hoogte van het onderzoek

Ontvang de Delft Integraal nieuwsbrief 4 keer per jaar