Tot dusver bepaalt een laborant de concentratie en bewegelijkheid van de zaadcellen met een microscoop. Een arbeidsintensieve, subjectieve en dure methode. Het doel van het onderzoek van Segerink was om een chip te ontwikkelen waarmee mannen met een simpele thuistest zelf de kwaliteit van hun sperma kunnen meten. De chip moet daarvoor de zaadcellen tellen en hun beweeglijkheid vaststellen. En dat allemaal op een eenvoudige en goedkope manier.
De eerste stap voor Segerink was te leren hoe een laboratorium op postzegelformaat werkt. Ze dook de literatuur in en ging vakken volgen waarin onderwerpen als nanotechnologie en het maken van elektrische meetinstrumenten op een chip aan bod kwamen. Daarna stelde ze de eisen op waaraan de chip zou moeten voldoen die mannelijke zaadcellen moet gaan meten. Ze begon met een testsysteem voor het bepalen van de concentratie van de zaadcellen. Uit de literatuur was al bekend dat als je een vloeistof door een heel dun kanaaltje leidt, en dan de elektrische impedantie van het kanaaltje meet, je aan de hand van de impedantieveranderingen iets kunt zeggen over de grootte van de cellen die langskomen. Dat principe was nog nooit eerder op zaadcellen toegepast.
Segerink kreeg zaadmonsters van varkens, en ging met een eerste, zelfontwikkelde chip meten. Segerink: “We zagen inderdaad dat de impedantie stijgt als er zaadcellen voorbijkomen. Maar dan weet je nog niet hoeveel zaadcellen er per hoeveelheid oplossing aanwezig zijn. Daarvoor moet je het volume heel precies weten, wat in de praktijk betekent dat de stroomsnelheid precies bekend moet zijn. Op een chip is dat lastig te meten.”
Mediacircus
De eerste puzzel die dus moest worden opgelost, was te zien of de concentratie van een monster ook op een andere manier bepaald kan worden. Dit bleek inderdaad mogelijk door het aantal zaadcellen relatief ten opzichte van een bekende concentratie andere deeltjes te meten. Segerink voegde een precies bekende hoeveelheid kleine (6 μm) polystyreen bolletjes aan het semen toe. Op de impedantiemetingen waren nu afwisselend zaadcellen en bolletjes te zien. Uit de verhouding tussen die twee valt de concentratie van de spermatozoa te bepalen.
Segerink publiceerde in het tweede jaar van haar promotie de resultaten in het vakblad Lab on a Chip. Het was haar eerste wetenschappelijke artikel, en tot haar verrassing werd het zonder veel opmerkingen van de peer-reviewers geplaatst. Maar daar bleef het niet bij. Segerink: “De redactie van het vakblad vond mijn artikel zo interessant, dat ze er in Engeland een persbericht over verstuurden. Daarna kreeg ik een heel mediacircus over me heen. Journalisten uit binnen- en buitenland belden me plat. De ene na de andere filmploeg stond op de stoep. Bedrijven wilden de chip gaan importeren. Ik wist niet hoe ik het had! Ik dacht: gaat dat altijd zo, als je een wetenschappelijk artikel publiceert?”
Nadat de rust enigszins was weergekeerd, kon Segerink zich concentreren op het verbeteren van de elektroden voor de impedantiemetingen. Voor de concentratiemeting bevonden de elektrodes zich aan dezelfde kant van het kanaal. Dit heeft een elektrisch veld tot gevolg dat niet overal homogeen is. Hierdoor heeft ook de plaats van het deeltje – en niet alleen zijn grootte – invloed op de impedantieverandering.
De optie om elektrodes aan boven- en onderkant van het kanaal te plaatsen, heeft weer als nadeel dat die tijdens de fabricage precies op elkaar moeten worden uitgelijnd, en dat er voor het aansluiten verbindingen aan beide kanten van een glasplaatje nodig zijn.
Zwevende elektrode
Segerink bedacht een nieuwe elektrodeconfiguratie, waarbij een kanaal wordt geëtst in de glazen wafer. Normaal gesproken wordt daar dan een andere wafer op geplaatst waarop de elektroden gesputterd zijn. Maar in Segerinks oplossing wordt er in de bodem van het microkanaal een soort zwevende elektrode gelegd. Door vervolgens de andere wafer hierop te leggen, ontstaat een homogeen elektrisch veld. Naast deze nieuwe elektrodeconfiguratie is er ook een andere chip ontworpen, die niet alleen de concentratie, maar ook de beweeglijkheid van de zaadcellen kan meten. Daarvoor worden de zwemmende en niet-zwemmende zaadcellen in twee kanalen gescheiden en afzonderlijk geteld. Op deze manier wordt van het zaad ook de beweeglijkheid bepaald, zodat de chip een totaaltest aflevert.
“We ontwikkelen iets waar mensen letterlijk op zitten te wachten.”
Op de methode is in het derde jaar van haar onderzoek patent aangevraagd, en er is een bedrijfje opgericht (Cellanyzer B.V.) dat de ‘fertility chip’ klaar moet stomen voor de markt. Om de stap van het laboratorium naar de keukentafel te kunnen maken, is echter meer onderzoek nodig. Zo moet het hele systeem zo gemakkelijk te bedienen zijn, dat iedereen er thuis mee kan omgaan. Ook moet er nog een eenvoudiger manier worden gevonden om het sperma door de chip te stromen. Tevens kan het chipdesign nog beter, zodat de metingen gevoeliger voor zaadcellen worden. Die optimalisatie zal nog wel enige jaren in beslag nemen.
Hoewel Segerink het spannend vindt om toepassingen te bedenken voor de thuismarkt, blijft ze toch onderzoeker aan de Universiteit Twente. “Mijn passie ligt in het wetenschappelijk onderzoek. Bij ons bedrijfje zal ik wel betrokken zijn, maar de commerciële kant moeten mijn collega’s doen. De enorme publieke interesse voor dit soort onderzoek geeft mij in mijn werk extra motivatie: ik heb het idee dat we iets ontwikkelen waar mensen letterlijk op zitten te wachten.”
Dit artikel verscheen in het STW-boekje Technologisch Toptalent 2012. Lees ook de andere artikelen: