Ten eerste het ontcijferen van het complete DNA van het menselijk genoom begin 21ste eeuw. Daarmee werd het mogelijk om meer te weten te komen over hoe erfelijke eigenschappen invloed uitoefenen op de functie van organen en weefsels en op de onderliggende biochemische processen in deze celtypes, zowel in een gezonde persoon als bij een zieke patiënt. Vervolgens zorgde de Japanse onderzoeker Shinya Yamanaka voor een revolutionaire doorbraak in de stamceltechnologie. Hij ontdekte hoe je van een paar cellen uit de huid van een mens stamcellen kunt maken, hoe je die in het lab kunt vermenigvuldigen en voor later gebruik invriezen. Deze geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS-cellen) kunnen onder de juiste omstandigheden in principe alle verschillende celtypen in ons lichaam maken. In snel tempo worden wereldwijd nieuwe methoden ontwikkeld om in een lab iPS-cellen te differentiëren naar allerlei celtypen die in het menselijk lichaam voorkomen, bijvoorbeeld hartcellen, levercellen of hersencellen. Al deze cellen bevatten het DNA van de persoon die de cellen doneerde, inclusief eventuele ziekmakende mutaties. Dit opende de weg om in het lab erfelijke ziektes of ziektes met een belangrijke erfelijke component na te bootsen.
Helaas verschilden de kweekomstandigheden in een lab nog te veel van die in het menselijk lichaam, gezond of ziek. Hiervoor bood een derde technologische ontwikkeling uitkomst die al in het laatste decennium van de vorige eeuw voornamelijk door ingenieurs was ontwikkeld. In dunne glaasjes of transparante kunststofplaatjes werden heel dunne kanaaltjes gemaakt, zogenaamde microfluïdische kanaaltjes. Deze plaatjes of chips bleken uitstekend geschikt om cellen in te kweken. Bovendien werden die cellen via de kanaaltjes continu van nieuwe nutriënten en zuurstof voorzien, iets wat tot dan toe niet mogelijk was met standaard celkweektechnieken. Doordat de gebruikte materialen transparant zijn, kunnen de cellen in de kanaaltjes met de microscoop bekeken worden.
De vinding om cellen een fluorescerend eiwit (bijvoorbeeld green fluorescent protein) te laten maken dat onder een speciale fluorescentiemicroscoop licht in een bepaalde kleur uitstraalt, maakte het tot slot mogelijk om het functioneren van cellen onder de microscoop te bestuderen. Door de aanmaak van dit eiwit te koppelen aan een bepaalde functie of biochemisch proces in een cel, kan bijvoorbeeld de invloed van een medicijn op deze functie bekeken worden. Verschillende onderzoeksgroepen in de wereld gingen deze nieuwe technische mogelijkheden met elkaar combineren in pogingen om menselijk weefsel te kweken en te bestuderen.
Grote behoefte aan mensmodellen
Ondertussen werd duidelijk dat grote farmaceutische bedrijven steeds minder succesvol waren in het ontwikkelen van nieuwe medicijnen. Een van de redenen hiervoor was dat de diermodellen voor menselijke ziekten die deze bedrijven gebruikten voor hun medicijnonderzoek, niet voldoende representatief waren voor mensen. Daardoor bleken bijvoorbeeld medicijnen die wel werkten bij dieren geen vergelijkbaar effect te hebben bij patiënten, en soms ook onverwachte bijwerkingen te geven. Er ontstond een grote behoefte aan modellen in het lab die meer representatief zouden zijn voor ziektes bij de mens, en ook aan modellen voor gezond orgaanweefsel om bijwerkingen van medicijnen op te onderzoeken.
Het Wyss Instituut in Boston nam het voortouw en ontwikkelde de eerste organ-on-chip-modellen voor menselijk long- en darmweefsel. De onderzoekers hadden twee celkweekkamertjes gemaakt in een microfluïdische chip, gescheiden door een extreem dun rubber membraantje met gaatjes (poriën) erin. De hele dunne toevoer- en afvoerkanaaltjes zorgen voor doorstroming van beide kweekkamertjes met een vloeistof of met lucht, bijvoorbeeld om een bloedvat met bloed te simuleren of de lucht in een longblaasje.
Bij de long-op-een-chip is op de ene kant van de membraan een bloedvat-cellaagje gekweekt en op de andere kant een long-cellaagje: dit vormt zo een model voor een longblaasje, het kleinste functionele element van de long. De membraan kan rekken als met een drukverandering de inademing in een longblaasje gesimuleerd wordt. Door het onderste kanaaltje kunnen witte bloedcellen stromen die voor afweer tegen bacteriën en ontsteking zorgen. Als aan de longzijde van de membraan bacteriën aangebracht worden, dringen de witte bloedcellen door de gaatjes in de membraan naar de longzijde en vallen ze de bacteriën aan: een model voor longontsteking.
Meerdere organ-on-chip-modellen volgden, en veel onderzoeksgroepen in de wereld sloten zich aan bij deze veelbelovende nieuwe ontwikkeling. Ook in Nederland werd deze nieuwe richting opgepakt en in 2015 werd met gezamenlijke inspanning van een aantal universiteiten en bedrijven een nieuw Nederlands wetenschappelijk instituut in het leven geroepen: Institute for human organ and Disease Model Technologies (hDMT). Binnen dit instituut worden verschillende typen microfluïdische chips en membraantjes ontwikkeld en gefabriceerd om nieuwe celkweekmodellen te maken voor gezond weefsel, bijvoorbeeld van het hart, en modellen voor ziekten zoals kanker, ziekten van de bloedvaten, van het afweersysteem en neurologische aandoeningen. Uniek ten opzichte van de eerdere pogingen om modelsystemen te maken is dat aan het Nederlandse instituut ook een aantal vooraanstaande wetenschappelijke groepen in de stamceltechnologie deelneemt. Hierdoor is het voor het eerst mogelijk om de menselijke genetica in de modelsystemen te incorporeren door gebruik te maken van verschillende soorten stamcellen, waaronder iPS-cellen.
Patiënten-op-een-chip voor medicijntesten
De verwachting is dat de komende jaren door multidisciplinaire samenwerking tussen ingenieurs, natuurkundigen, chemici, biologen en artsen de organ-on-chip-aanpak in Nederland en de wereld zal uitgroeien tot een belangrijk nieuw onderzoeksgebied waarin we unieke kennis kunnen vergaren over gezondheid en ziekten bij de mens. Deze kweekmodellen zullen ook beschikbaar komen voor farmaceutische bedrijven, en uiteindelijk zou het zelfs zo kunnen zijn dat alvorens een medicijn te testen in vrijwilligers of patiënten, het medicijn eerst toegevoegd wordt aan een organ-on-chip-ziektemodel. Hiervoor is dan een hele serie chips beschikbaar met het zieke weefsel opgekweekt uit stamcellen van verschillende patiënten, zodat de genetische factoren die de ziekte en de reactie op een medicijn kunnen beïnvloeden, meegenomen worden. Dus eigenlijk ‘patiënten-op-een-chip’. Het grote voordeel daarbij is dat deze patiënten-op-een-chip steeds opnieuw gemaakt kunnen worden. Dat biedt ongekende nieuwe mogelijkheden, vooral voor heel zeldzame erfelijke ziekten. Op de kleine aantallen patiënten in de wereld die hieraan leiden kunnen immers niet steeds opnieuw medicijnen worden getest.
De verwachting is dat de nieuwe organen-op-een-chip-technologie zal bijdragen aan een efficiëntere ontwikkeling van effectieve en veilige medicijnen, waarbij ook de kosten voor de ontwikkeling van een medicijn omlaag zouden kunnen gaan. Daarnaast biedt het nieuwe mogelijkheden om medicijnen te ontwikkelen voor zeldzame ziektes met een belangrijke erfelijke component. Een belangrijk bijkomend voordeel is dat het gebruik van diermodellen voor experimenten sterk zal verminderen.