Interview De elektrische taal van de organoïden begrijpen

Een groot aantal aandoeningen, niet alleen van de darm, vindt zijn oorsprong juist daar. Het is daarom van essentieel belang om de darm beter te begrijpen. Met behulp van moderne celkweektechnieken proberen onderzoekers nu de darm in al zijn complexiteit in een kweekbeker (in vivo) na te bootsen. Daar horen ook de „stroomvoorziening“ ervan en het meten van signalen van zogenaamde prikkelbare cellen bij.

Bij de term ‘OriDarmi’ denkt men meteen aan origami. Wat heeft uw onderzoeksproject aan de hogeschool van Kaiserslautern te maken met de Japanse kunst van het papiervouwen?

Prof. dr. Monika Saumer: Bij origami wordt door het uitvouwen van een vlak een filigraan en complex 3D-model gevormd. Er kunnen oneindig veel geometrische vormen worden gerealiseerd. In ons OriDarmi-project gaan we op een vergelijkbare manier te werk: we vervaardigen elektrodensystemen in vlakke vorm (op een wafer) en vouwen deze uit tot een complexe 3D-structuur, waarbij elke kleine structurele geometrie van belang is. Onze 3D-structuur bevat meer dan 60 gouden elektroden, die zijn ingebed in een kunststof raamwerk van polyimide. De elektrodensystemen zijn aangepast aan complexe organoïde-culturen, nabootsingen van het geïnnerveerde darmslijmvlies ‘in het reageerbuisje’, en maken het mogelijk elektrische signalen te registreren en daarmee een soort darm-ECG uit te voeren. Het is belangrijk te weten dat de darm een groot aantal zenuwcellen herbergt en dat deze onmisbaar zijn voor de werking ervan. Met onze elektrodensystemen kunnen de activiteit en de gezondheidstoestand van de darmcellen, evenals hun interactie binnen het celweefsel, worden beoordeeld. Hiermee kunnen bijvoorbeeld de effecten van medicijnen worden gemeten of zelfs bepaalde ziektebeelden worden gesimuleerd.

Voor de verschillende toepassingen hebben we tot nu toe twee 3D-architecturen gerealiseerd: een spiraal die we in de celculturen integreren, en een mandje met vier armen dat de organoïden omsluit. Onze 3D-systemen, inclusief de darmcellen, zijn echter maximaal drie millimeter groot.

Er zijn tal van darmaandoeningen en andere ziekten bekend die mogelijk verband houden met de darmen. Kunt u een paar voorbeelden noemen?

Naast inflammatoire darmziekten zoals de ziekte van Crohn of colitis ulcerosa gaat men er tegenwoordig van uit dat de darmbarrière, die wordt beïnvloed door het microbioom en de voeding, ook verantwoordelijk kan zijn voor het ontstaan van stofwisselingsziekten zoals diabetes mellitus of neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson. Bovendien kan het systeem ook worden gebruikt voor het onderzoek naar omgevingsfactoren, het microbioom of toxines, die vaak de oorzaak zijn van ziekten of orgaanschade.

Waarom is het moeilijk om de functie van de darmwand bij een levend organisme te analyseren, en welke hulpmiddelen hebt u ontwikkeld om de fysiologische processen beter te kunnen onderzoeken?

Om het ontstaan en de behandeling van de ziekte te onderzoeken, zijn continue metingen over een langere periode direct op levend darmweefsel nodig. Het beste zou natuurlijk zijn om de darmwand rechtstreeks in het menselijk lichaam te onderzoeken, wat technisch gezien met veel moeite mogelijk zou zijn, maar ethisch gezien niet haalbaar is. Daarom maken we gebruik van metingen aan darmweefsel in een kweekbeker. De gevoelige darmepitheelcellen laten zich echter niet zo eenvoudig kweken en verliezen onder de klassieke kweekomstandigheden (in de petrischaal) snel hun functie.

Daarom bootsen we met behulp van moderne celkweektechnieken zowel de darmbarrière als de darmwand met al haar componenten, zoals epitheel-, immuun- en zenuwcellen, na in een kweekvat (in vivo). We gebruiken bijvoorbeeld menselijk biopsiemateriaal om daaruit driedimensionale darmcelculturen en organoïden te kweken.

Om celsignalen te kunnen aflezen vanuit het binnenste van de celculturen en vanaf het gehele oppervlak van de organoïden, zijn juist daar ook de elektroden nodig. Daarom ontwerpen wij 3D-architecturen van biocompatibele kunststoffen, die het dragermateriaal voor de elektroden en hun aansluitdraden vormen, en bedekken daarin de geleidende elektroden en aansluitdraden.

Wat zijn de grootste uitdagingen die ze moeten overwinnen om succesvol te zijn?

We staan in de eerste plaats voor twee grote uitdagingen: een biologische en een technische.
- De biologische: lukt het ons om functioneel darmweefsel in een kweekvat te kweken?
- De technische: hoe bouwen we de 3D-architecturen met exacte functionele micro- en nanostructuren (ontwerp, productiemethoden, materialen, oppervlakken)?

Een derde uitdaging is het interdisciplinaire karakter. Biologie en geneeskunde staan in wisselwerking met elektrotechniek en microsysteemtechniek. We moeten inzicht krijgen in elkaars ‘wereld’ en zeer nauw samenwerken. Alleen zo kunnen we ervoor zorgen dat het weefsel lang functioneel blijft en we signalen daadwerkelijk betrouwbaar en met voldoende kwaliteit kunnen meten.

Hier volgen enkele details waarmee rekening moet worden gehouden: De te ontwikkelen elektrodensystemen moeten het organoïde flexibel omsluiten zonder de cellen te beschadigen. Om de kwaliteit van de barrière gelijktijdig en continu te monitoren, is een TEER-benadering (trans-epithelial-electrical-resistance) nodig. Hiervoor moeten geschikte elektroden langzaam en op een zo min mogelijk destructieve manier in het weefsel worden ingebracht. Extra capillaire elektroden moeten het mogelijk maken om voedingsmedium en andere stoffen in het binnenste van de organoïden toe te dienen.

Voor een goede signaalregistratie is het nodig om micro-elektroden te ontwikkelen die door hun vorm en oppervlakte-eigenschappen een goed contact met het celmembraan mogelijk maken of zelfs in het binnenste van de cellen kunnen doordringen.

Hoe zullen de resultaten van het OriDarmi-project concreet worden benut?

Onze ontwikkelingen zullen het mogelijk maken om op betrouwbare wijze functionele gegevens uit complexe organoïden en weefsels af te leiden. We zullen onderzoekende artsen en biologen twee diagnostische hulpmiddelen ter beschikking stellen die kunnen worden ingezet voor het onderzoek naar het ontstaan van ziekten en de behandeling daarvan.

Het basisprincipe van onze aanpak is het meten van signalen van zogenaamde prikkelbare cellen. Dit zijn naast zenuwcellen ook spiercellen. Onze systemen, die zijn ontwikkeld voor het registreren van signalen van darmzenuwcellen, kunnen daarom in de toekomst ook voor andere prikkelbare cellen worden gebruikt. Hierbij komen naast andere zenuwcellen van het centrale en perifere zenuwstelsel ook hartspiercellen of gladde spiercellen van holle organen zoals de darm en de blaas in aanmerking.

We gaan ervan uit dat de bevindingen uit bijvoorbeeld langetermijnonderzoek naar werkzame stoffen van invloed zullen zijn op de ontwikkeling van nieuwe therapeutische mogelijkheden voor de verlichting of genezing van ziekten.

Hartelijk dank voor het gesprek, prof. Saumer.