Mini-organen op een chip

Onderzoekers van Imec in Leuven hebben een krachtige chip ontwikkeld waarop levende menselijke cellen zoals hart- of hersencellen kunnen gezet worden. De chip telt meer dan 16.000 elektrodes. Die elektrodes kunnen zeer nauwkeurig de signalen in de cellen en tussen de cellen onderling meten. Dat maakt de nieuwe chip bijzonder geschikt om nieuwe medicijnen in vitro te testen. Specialisten spreken van een revolutionaire doorbraak. Door nieuwe medicijnen op deze manier te testen, worden de testperiodes veel korter en goedkoper.

Jaarlijks wordt er een handvol nieuwe medicijnen gelanceerd. Maar in hun schaduw zijn er tienduizenden kandidaat-medicijnen die de markt niet halen. Desondanks heeft ook hun ontwikkelingstraject jaren geduurd en zeer veel geld gekost. Om het proces van medicijnontwikkeling efficiënter te maken en te versnellen is er dringend behoefte aan technieken die zeer gedetailleerd en in parallel het effect van verschillende chemische samenstellingen op cellen en weefsels of organen kunnen testen.

Dit is het dichtst bij een echt hart dat we kunnen komen, zonder proefdieren te gebruiken.

De chip van Imec bestaat uit een matrix van 16 gebieden waarin cellen gekweekt worden op een complex patroon van in totaal 16.384 microstructuren. “We kweken bijvoorbeeld 16 kleine hartjes op een chip, waardoor we het effect van medicijnen in een biologisch relevante context kunnen testen. Dit is het dichtst bij een echt hart dat we kunnen komen zonder proefdieren te gebruiken,” legt Veerle Reumers, projectleider bij Imec, uit. “Voeg daarbij de significant snellere doorlooptijd en de zeer hoge resolutie, en het wordt duidelijk dat Imecs chip een nieuwe generatie van instrumenten voor medicijnscreening inluidt.”

Dit is nog nergens anders in de wereld gedaan. Het is de eerste chip waarin 16 verschillende medicijnsamenstellingen in parallel geanalyseerd kunnen worden. 

De nieuwe chip  kan worden verpakt in een speciale celcultuurplaat waardoor de 16 gebieden elk apart gebruikt kunnen worden. Dit werd gerealiseerd in samenwerking met het Nederlandse bedrijf Micronit Microtechnologies. “Het is de eerste chip waarin 16 verschillende experimenten in parallel uitgevoerd kunnen worden, of – met andere woorden – 16 verschillende medicijnsamenstellingen in parallel geanalyseerd kunnen worden,” zegt Veerle Reumers. "Dat is nog nergens anders in de wereld gedaan. Dit betekent dat de doorlooptijd van een experiment veel korter wordt."

"Tegelijkertijd biedt het instrument een zeer hoge resolutie. Elk van de 1.024 elektrodes in een holte kan zowel extracellulair als intracellulaire signalen meten en cellen stimuleren. Onze chip biedt dus de volledige toolset voor het screenen van het effect van medicijnen op cellen, weefsels en organen.”

Cellen herprogrammeren

De chip kan ook gebruikt worden om cellen te herprogrammeren. Door stroom naar de cellen te sturen, kan de celwand doorlaatbaar gemaakt worden voor sommige moleculen en oplossingen.  Zo kunnen weefsels gebouwd worden zoals zenuwbanen die de eigenschappen van echte zenuwbanen benaderen. "Tegelijk kunnen we met de chip hun gedrag uitlezen." zegt Veerle Reumers.

De voorspelling dat een nieuw medicijn gaat werken, zal  met onze chip ook beter zijn omdat wij meteen nagaan hoe de medicatie in het menselijk lichaam werkt. 

De klassieke manier om nieuwe medicijnen te ontwikkelen, verloopt in drie fases. Eerst zijn er de testen op cellijnen in het labo. Dan volgen de proeven op dieren en tenslotte de testen op mensen. Dat is allemaal strak gereglementeerd. Het hele traject loopt meestal over jaren. Dikwijls gaat een nieuw medicijn mee tot aan de menselijke testen en valt dan af. Of erger nog: het wordt uitgebracht en moet later teruggeroepen worden omwille van nevenwerkingen.  Dat kost een hoop geld. Daarom zijn nieuwe medicijnen zo duur. 

"In heel de wereld is de zoektocht naar "organen op chip" bezig om testen op mensen te vervangen," zegt Reumers.  "Waar wij ons op toegelegd hebben is dat de chip de efficiëntie van het onderzoek verhoogt. Met onze chip kunnen wij veel sneller op menselijke cellen testen en tegelijkertijd  ook de neveneffecten nagaan. De voorspelling dat iets gaat werken, zal daarom ook beter zijn omdat wij meteen nagaan hoe de medicatie in het menselijk lichaam werkt."

16 harten op één chip

"Het feit dat wij 16 harten kunnen kweken op één chip is op zich al spectaculair maar het grote voordeel is dat wij de chip goedkoop en in veelvoud kunnen produceren, waardoor we een enorme schaalvergroting van het onderzoek krijgen."

"Imec kan een lage productie van chips aan maar uiteindelijk zal de productie naar een groot bedrijf gaan dat de chip gaat commercialiseren. Wij blijven een onderzoeksinstelling", zegt Veerle Reumers, "maar we zijn nu wel op zoek naar een partner".