Floor Wolbers’ onderzoek naar het ontwikkelen van betere methodes voor het behandelen van kanker begon eigenlijk toevallig in 2003. Wolbers (1979) werkte na haar studie medische biologie enige tijd in het Medisch Spectrum Twente (MST) te Enschede, waar ze onderzoek deed naar veelgebruikte medicijnen bij borstkanker. Ze gebruikte daarvoor de gangbare, grote analyseapparatuur, zoals flow cytometrie en DNA-analyse, om vast te stellen hoe kankercellen reageren op de aanwezigheid van een bepaald medicijn.
Via prof.dr. Istvan Vermes, hoogleraar klinische chemie bij MST, kwam ze in contact met een vakgroep van de Universiteit Twente die zich bezighoudt met het maken van mini-laboratoria op chip. Wolbers kwam in gesprek met de leider van de vakgroep, prof.dr.ir. Albert van den Berg. Al snel werd duidelijk dat de ervaring die Wolbers had opgedaan met de standaard analysetechnieken van belang zou zijn voor het ontwikkelen van een lab-on-a-chip, een compleet laboratorium ter grootte van een chip, waarmee veel nauwkeuriger keuzes mogelijk zijn bij de behandeling van kanker.
Wolbers: “Nu wordt, als bij een vrouw borstkanker wordt gediagnostiseerd, eerst een weefselmonster bij haar weggenomen om de kanker te karakteriseren om zo voor een bepaalde standaardtherapie te kiezen. Pas na weken van behandeling kan worden bepaald of de therapie aanslaat of niet. Is er geen resultaat geboekt, dan is dus heel veel kostbare tijd verloren gegaan, met alle nadelige gevolgen van dien. Ik wil met deze chip eerst bepalen wat de beste therapie is en die dan vervolgens aan de patiënt voorschrijven. Dit omdat bekend is dat twee tumoren er hetzelfde uit kunnen zien, maar toch op DNA-niveau heel verschillend kunnen zijn, waardoor de reactie op een medicijn ook heel verschillend zal zijn. Dit wordt genetische variatie genoemd.” Door van tevoren bij een patiënt enkele honderden kankercellen te isoleren en op een chip te analyseren wat het effect van een medicijn op deze cellen is, kan voor deze patiënt de beste therapie geselecteerd worden.
Patiëntvriendelijk
Doordat de chip maar klein is, is maar weinig patiëntmateriaal nodig, wat de techniek patiëntvriendelijk maakt. Het aantal cellen voor een weefselmonster kan zo met een factor tienduizend gereduceerd worden. Bovendien kunnen dezelfde soort tests in minder tijd parallel worden uitgevoerd. Het gaat hierbij dan om de zogenoemde dose-responseanalyse: daarvoor neemt de onderzoeker weefsel en kijkt welke dosis van een bepaald medicijn de kankercellen het beste aanpakt. Met bestaande technieken zijn voor iedere concentratie apart miljoenen cellen nodig. Daarnaast is het een voordeel dat je op de chip verschillende analysetechnieken tegelijk toe kunt passen.
Wolbers stelde vast dat ze met haar biomedische kennis aan de Universiteit Twente een brug kon slaan tussen de medische wereld en de technische wereld. Wolbers: “In het begin ging het erom te bepalen wat de biologische waarden zijn die je op een chip wilt meten, hoe een meetopstelling eruit moet zien, en wat de materiaalkeuze van je chip is. Cellen leven niet goed met alle materialen en niet goed in alle omgevingen. Daarom hebben we gekozen voor een polymeer, PDMS genoemd. Dat is een goedkoop biocompatibel en voor gas doorlaatbaar materiaal, en gemakkelijk te gebruiken door biologen. Omdat je in zo’n kleine chip werkt, is het ook belangrijk dat je ervoor zorgt dat je de cellen van genoeg voedingsstoffen voorziet.”
De chip zelf bestaat uit drie onderdelen: een toevoerkanaal, dat zich verbreedt naar een kweekkamertje (de grootte nu is een halve vierkante centimeter, maar dat zal in de toekomst kleiner worden) en dan een afvoerkanaal. Als eerste worden de kankercellen in de chip gebracht waar ze zich hechten aan het oppervlak. De chip wordt vervolgens op een thermoplaat geplaatst die alles op 37 graden verwarmt. Een pomp zorgt ervoor dat een kleine hoeveelheid van een medicijn over de cellen stroomt, en met microscoop is dan te zien wat het effect van dit medicijn is. Tijdens dit proces worden continu foto’s gemaakt, die zich later als een film laten afspelen. Wolbers: “Voor onze vakgroep was dit allemaal nieuw. Tot nu toe werd hier voornamelijk met chemische en elektrische biosensoren gewerkt. Er was nog geen ervaring met cellen.”
Juiste dosering
Wolbers heeft de chips zo ontworpen dat ze gemakkelijk in de klinische omstandigheden van een bestaand laboratorium te gebruiken zijn. Wolbers: “Uiteindelijk wil je graag op een eenvoudige manier tientallen chips naast elkaar bekijken, zodat je meerdere medicijnen tegelijkertijd kunt testen. Dan heb je kankertherapie op maat: je kunt tegen relatief geringe kosten voor iedere patiënt het optimale medicijn in de juiste dosering bepalen. Het ideaal is daarbij natuurlijk, dat zoveel mogelijk processen automatisch verlopen.”
De nieuwste modellen van de chips zijn daarom voorzien van een raster van elektroden. Die kunnen de weerstand van individuele cellen meten. Dat is een goede manier om vast te stellen of een bepaald medicament aanslaat, omdat kankercellen die doodgaan – het doel van kankertherapie – een lagere elektrische weerstand krijgen. Wolbers: “Ook hier geldt, dat dit veel beter implementeerbaar is in een kliniek dan conventionele technologieën.”
Het door Wolbers ontwikkelde systeem is op allerlei celtypes toe te passen. Zo zijn de labs-on-a-chip voor allerlei klinische vraagstukken geschikt. Ook voor farmaceutische bedrijven die de effectiviteit van nieuwe geneesmiddelen willen testen, is het systeem interessant. Maar Wolbers zelf blijft het liefst werken aan de verfijning van de technologie voor toepassing in ziekenhuizen.
Wolbers: “Dit vind ik het meest waardevol: dat je aan een medische toepassing werkt waar patiënten daadwerkelijk iets aan hebben. Dat geeft mij de motivatie om de chip technisch nog beter en praktisch nog beter implementeerbaar te maken.”
Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.