Mini-orgaantjes, gemaakt van menselijke stamcellen, helpen de ontwikkeling van medicijnen en behandelmethoden te verbeteren. Omdat deze orgaantjes gemaakt zijn van patiëntweefsel, bevatten ze de genetische aanleg voor de ziekte waaraan de patiënt lijdt. Wereldwijd is er veel aandacht voor deze orgaan-op-chip-aanpak. Inmiddels is een groot aantal organen op die manier als model beschikbaar en kijken onderzoekers al naar het koppelen ervan tot een multiorgaanmodel.
In Nederland heeft vrijwel elke universiteit een onderzoeksprogramma waarin gewerkt wordt aan orgaan-op-chip. Ze werken veelal samen in het hDMT-consortium. Hart, bloedvat, long, lever, nier, darm, hersen- en zenuwweefsel zijn inmiddels beschikbaar als mini-orgaantjes. Soms worden ze aan elkaar gekoppeld tot een multiorgaanmodel om hun interactie te bestuderen, bijvoorbeeld onder invloed van een medicijn of specifieke omstandigheden. De Nederlandse overheid stimuleerde het onderzoek de afgelopen jaren met ruim 10 miljoen euro. De vooruitzichten zijn veelbelovend. De modellen bieden de mogelijkheid om aandoeningen veel nauwkeuriger te onderzoeken en medicijnen en behandelmethoden direct op menselijk weefsel te testen.
Er zijn medicijnen ontwikkeld, getest in diermodellen en goedgekeurd, die vervolgens bij mensen dodelijk bleken te zijn.”
Daarmee zijn veel dierproeven te vermijden. Diermodellen geven vaak geen betrouwbare voorspellingen van de reactie in het menselijk lichaam. “Er zijn medicijnen ontwikkeld, getest in diermodellen en goedgekeurd, die vervolgens bij mensen dodelijk bleken te zijn”, zegt Sebo Withoff, universitair hoofddocent Genetica van auto-immuunziekten aan de Rijksuniversiteit Groningen. Samen met adjunct-hoogleraar Iris Jonkers leidt hij het onderzoek naar glutenintolerantie (coeliakie). Dit is een complexe auto-immuunziekte die ontstaat uit een samenspel tussen genetische afwijkingen en omgevingsfactoren. Bij patiënten ontstaan daardoor lekkages in de dunne darm die tot ontstekingen leiden.
Complexe celstructuren
De Groningse groep ontwikkelde voor haar onderzoek een darm-op-chip-model. Het is al langer mogelijk darmwandweefsel (epitheel) te kweken uit stamcellen. In een petrischaal vormen die echter bolletjes (organoïden), wat niet altijd geschikt is voor darmonderzoek. Zo kan bijvoorbeeld de binnenkant van zo’n organoïde alleen bereikt worden door onder de microscoop vloeistoffen te injecteren. Ook stroomt er geen vloeistof langs de cellen en is er geen sprake van de krachten die in een echte darm op cellen worden uitgeoefend.
In het darm-op-chip-model vormen zich, in plaats van simpele organoïden, complexe celstructuren zoals darmvlokken, die zo kenmerkend zijn voor een darmwand. Door kracht uit te oefenen op het flexibele materiaal van de chip, kunnen de onderzoekers zelfs de peristaltische beweging van de darm nabootsen zodat de darmcellen de druk ondervinden die ze ook ervaren in het menselijk lichaam. Het is zelfs mogelijk via de kanaaltjes (zie kader) in de chip bacteriën uit de darmflora langs de cellen te leiden en de interactie te bestuderen.
Hoe werkt orgaan-op-chip?
Mini-orgaantjes worden gekweekt met behulp van ongedifferentieerde stamcellen. Dit zijn cellen die in principe nog elk type weefsel kunnen vormen, net zoals de eerste cellen in een embryo. Tot zo’n tien jaar terug werden dan ook embryonale stamcellen gebruikt voor onderzoek naar menselijke ziekten, maar daar kleven zwaarwegende ethische bezwaren aan.
In 2007 werd duidelijk dat je in principe van elke cel in het menselijk lichaam — of die nu van wangslijm of uit een haarwortel komt — opnieuw een ongedifferentieerde stamcel kunt maken. Dit was het resultaat van onderzoek van Shinya Yamanaka, hoogleraar aan de Kyoto University, op basis van eerder werk van zijn Britse vakgenoot John Gurdon. De methode geeft gedifferentieerde cellen als het ware een herstart. Yamanaka en Gurdon kregen in 2012 de Nobelprijs voor hun werk.
Door stamcellen in de juiste omstandigheden op te kweken, beginnen ze te differentiëren tot de gespecialiseerde cellen die functioneren in verschillende organen. Dat lukt al geruime tijd in kweekflessen of op vaste voedingsbodems in een petrischaal. Die omstandigheden lijken echter niet op de situatie in het lichaam. De afgelopen jaren kwam het onderzoek in een stroomversnelling door cellen te kweken ‘op een chip’. Die aanduiding heeft niets te maken met een computerchip, maar verwijst naar een plaatje waarin doorgaans verschillende kanaaltjes zijn aangebracht die gescheiden zijn door een membraan. Daarop groeien de cellen en via de kanaaltjes kunnen verschillende vloeistoffen stromen. Zo kunnen onderzoekers de situatie in het lichaam nabootsen. Een darmcel bijvoorbeeld krijgt aan de ene kant via het bloed bouwstoffen en zuurstof. Aan de andere kant stroomt voedsel in verschillende stadia van vertering langs.
De cellen in een hart hebben te maken met twee bloedstromen. De kamers in het hart zijn betrokken bij het rondpompen van bloed, maar de cellen zelf krijgen voedingsstoffen en zuurstof via de kransslagaders. Door die situatie na te bootsen op een chip, blijken de cellen verder te differentiëren en zijn er via de vloeistofstromen makkelijker verschillende testomstandigheden te creëren.
Kloppende mini-hartjes
Robert Passier, hoogleraar Toegepaste stamceltechnologie aan de Universiteit Twente, zet met zijn groep de orgaan-op-chip-modellen in om oplossingen te vinden voor hartfalen, hartritmestoornissen en herstel van hartweefsel na een hartinfarct. Zijn team laat onder meer hartcellen in een mal groeien, zodat uiteindelijk een daadwerkelijk kloppend mini-hartje ontstaat waarmee geëxperimenteerd kan worden. Zo kan bijvoorbeeld het effect van medicijnen op de pompkracht van de cellen worden bestudeerd. De onderzoekers slagen erin het model steeds geavanceerder te maken, bijvoorbeeld door 3D-bioprinting in te zetten. Daarbij worden met een printer cellen op elkaar gezet, net zoals tegenwoordig plastic objecten kunnen worden gemaakt met een 3D-printer. In een samenwerking met andere groepen binnen de UT is het al mogelijk om verschillende hartcellen te printen. Passier: “Het is nog een uitdaging om op een gecontroleerde manier functionerend hartweefsel in 3D te kunnen printen, maar we maken belangrijke vorderingen. In de toekomst hopen we echt een stuk hart te kunnen maken: hartweefsel waarin ook de vaten in zitten, en met de dynamische interactie tussen vaatwand en hartspiercel.”
Er is een duidelijke connectie tussen bepaalde hartziekten en de hersenen.”
Passier werkt ook aan multi-orgaanchips, bijvoorbeeld een hart-hersenchip. “Er is een duidelijke connectie tussen bepaalde hartziekten en de hersenen. Voor dat onderzoek hebben we in een chip een compartiment met hartweefsel en een ander compartiment met hersenweefsel waarmee we het sympathische en parasympathische zenuwstelsel nabootsen. Op die manier kunnen we de interactie bestuderen en bepaalde ziektepatronen ontdekken.”
Opschaling nodig
Doordat het relatief eenvoudig is stamcellen van een specifieke patiënt of patiëntengroep te oogsten en op te groeien, kunnen mini-orgaantjes worden gekweekt met een specifieke afwijking. Die zijn dan te vergelijken met mini-orgaantjes gemaakt van stamcellen uit een gezond persoon. Ook de reactie van de verschillende typen mini-orgaantjes op medicijnen kan zo goed worden bestudeerd. In Groningen werkt het team op een vergelijkbare manier aan de koppeling van een mini-darm aan een mini-lever om bijvoorbeeld de afbraak van medicijnen te onderzoeken.
Voor de orgaan-op-chip-aanpak in de praktijk kan worden toegepast, bijvoorbeeld voor klinisch onderzoek of grootschalige wetenschappelijke experimenten, zijn nog flinke hobbels te overwinnen, bijvoorbeeld wat betreft opschaling. Zo schetst Withoff dat bij medicijnonderzoek voor darmziekten vaak honderden verschillende stoffen tegelijk moeten worden getest. Dan moeten er dus ook honderden chips in een opstelling kunnen. “Daar is het systeem nog niet voor ontwikkeld. We kunnen met ons systeem nu maximaal 72 tests tegelijk doen en hebben daar twee grote incubatoren voor nodig. Ook moeten de chips handmatig worden geplaatst, wat tijdrovend is en variatie tussen de experimenten veroorzaakt.”
Volwassen cellen
Een andere uitdaging is de rijping van cellen. “De cellen waar wij mee werken zijn eigenlijk heel jong, zoals bij een foetus”, zegt Passier. “Als je de cellen goed verzorgt, kunnen we ze tot wel een jaar in leven houden. Dat wil echter niet zeggen dat ze automatisch ook volwassener worden.” Dat is wel nodig omdat sommige aandoeningen pas duidelijk worden bij volwassen patiënten.
Hij noemt wel een aantal onderzoeksstrategieën om de rijping van hartcellen op een chip te bevorderen. Zo helpt het om cellen mechanisch op te rekken en is ook bekend dat elektrische stimulatie het rijpingsproces van cellen bevordert. Verder worden verouderingsexperimenten gedaan waarin de hartcellen worden gekweekt in combinatie met andere celtypen zoals endotheelcellen en fibroblasten, en er wordt gekeken of het toedienen van hormonen of groeifactoren het rijpen van de cellen kan stimuleren. Passier: “We zien een zekere vorm van maturatie, maar de vraag blijft of je die cellen echt volwassen kunt krijgen, en of dat echt nodig is.”
Regelgeving moet aangepast
Hoewel er uitdagingen zijn, is de interesse vanuit de farmaceutische industrie groot. Een groot deel van de medicijnen werkt eigenlijk heel slecht als je naar de hele populatie kijkt of hebben bijwerkingen die zich niet bij iedereen even sterk voordoen. Withoff: “De reden is dat de ene persoon een genetische aanleg heeft om bepaalde drugs te veranderen zodat ze actief worden of juist deactiveren, terwijl een buurman dat niet heeft. Met dit systeem kun je dat testen omdat je mini-orgaantjes kunt maken van cellen van die ene persoon en van de buurman.”
Ook de regelgeving moet worden aangepast voordat deze mini-orgaantjes breed kunnen worden ingezet voor medicijnontwikkeling of klinisch onderzoek. Volgens Withoff is de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) al zover dat ze orgaan-op-chip-systemen testen als alternatief voor diermodellen. In Nederland ziet het College ter Beoordeling van Geneesmiddelen (CBG) deze methoden nog niet als volledig alternatief voor dierproeven. De Rijksoverheid stimuleert wel de verdere ontwikkeling ervan, onder meer via het partnerprogramma Transitie Proefdiervrije Innovatie (TPI).
