Leeftijdgebonden Maculadegeneratie in een Orgaan-op-een-Chip Laboratoriummodel
Leeftijdgebonden maculadegeneratie is een oogaandoening waarbij het gezichtsvermogen afneemt door schade aan het centraal gelegen gedeelte van het netvlies, de macula. De ziekte is de meest voorkomende vorm van ouderdomsblindheid in de Westerse wereld, en alleen al in Nederland wordt het aantal patiënten geschat op 100.000, een aantal dat razendsnel toeneemt door de vergrijzing.
Ondanks de grote persoonlijke en maatschappelijke impact van de aandoening is er nog niet veel bekend over de precieze ontstaansmechanismen. Als gevolg van ons gebrek aan kennis is ook het aantal opties voor preventie en behandeling van patiënten zeer beperkt. De meest succesvolle behandelingsmethodes zijn gericht tegen de wildgroei van nieuwe bloedvaten in het netvlies, een proces dat een sleutelrol speelt bij de meest agressieve, of ‘natte’, variant van leeftijdgebonden maculadegeneratie. Een belangrijk nadeel van de behandeling is dat deze berust op het direct inspuiten van een medicijn in de oogbol – een kostbaar en pijnlijk proces.
De motivatie voor het huidige project ligt in de anekdotische waarnemingen van prof. (em.) dr. ir. Bergveld die – in samenspraak met zijn huisarts – twee vrij verkrijgbare medicijnen neemt om zijn natte leeftijdgebonden maculadegeneratie onder controle te houden. Ook voor een groep van enkele tientallen andere patiënten blijkt deze experimentele behandelmethode op het eerste gezicht een gunstig effect te hebben.
De medicijnen die deze groep neemt zijn een ontstekingsremmer en een anti–histamine. In de context van wat bekend is over het ziektemechanisme van leeftijdgebonden maculadegeneratie zouden deze medicijnen een ‘normaliserend’ effect kunnen hebben op de groei van lekkende bloedvaten in het netvlies en zouden zij de interactie tussen het immuunsysteem en de vaatwand van deze bloedvaten kunnen beïnvloeden.
De persoonlijke waarnemingen van de groep patiënten, tezamen met de farmacologische aspecten van de medicijnen die zij nemen, bieden interessante aanknopingspunten om de rol die ontsteking, vaatwandfunctie en het immuunsysteem spelen in het ontstaan en voortschrijden van leeftijdgebonden maculadegeneratie verder te bestuderen. Dit is precies wat we in het huidige project beogen.
Het door Stichting TWIN gesponsorde project is van start gegaan in februari 2016 en richt zich op het nabootsen van leeftijdgebonden maculadegeneratie in een microscopisch klein laboratoriummodel van het menselijke netvlies. Met behulp van een dergelijk experimenteel model kunnen de factoren die belangrijk zijn in het ontstaan en het behandelen van maculadegeneratie systematisch en gecontroleerd in het laboratorium worden onderzocht.
Figuur 1: De opbouw van het netvlies en het ‘orgaan-op-chip’ model hiervan. Links: illustratie van de verschillende lagen in het netvlies die een sleutelrol spelen in maculadegeneratie. Rechts: Overzicht van de gecontroleerde kweek van deze lagen in een microscopisch laboratoriummodel. Foto: Een voorbeeld van een orgaan-op-een-chip waarin menselijke weefsels gekweekt kunnen worden.
In het eerste jaar van het project hebben we gewerkt aan het opzetten van het microscopische orgaan-op-een-chip laboratoriummodel van het menselijke netvlies. In een samenwerking met prof. Lina Sarro en haar groep Electronic Components, Technology and Materials van de TU Delft (http://ectm.tudelft.nl/) hebben we clean room microtechnologie ingezet om een model te maken met kweekkamers die tot op de micrometer nauwkeurig gedefinieerd zijn (figuur 2, links en midden). In de kweekkamers hebben we menselijk vaatwandweefsel weten te kweken, en analyse met behulp van fluorescentie-microscopie toont aan dat er zich een aaneengesloten laag met levende cellen vormt (figuur 2, rechts).
Figuur 2: De eerste stappen naar een orgaan-op-een-chip laboratoriummodel van het menselijke netvlies. Links, een device (1.5 cm lang) met microscopische kweekkamers. Midden boven, een doorsnede van een kweekkamer (‘Channel’) onder de microscoop. Midden onder, een vergrootte weergave van de drager voor celkweek (‘Membrane’) met goed gedefinieerde microporiën. Rechts, menselijk vaatwandweefsel gekweekt in de microscopische kweekkamers. De celkernen zijn blauw aangekleurd, het celskelet is rood aangekleurd.
In het tweede jaar van het project hebben we veel tijd geïnvesteerd in het integreren van klinisch relevante uitleesmogelijkheden voor het orgaan-op-een-chip laboratoriummodel. Een prominent voorbeeld hiervan is de integratie van optische coherentietomografie (OCT) in samenwerking met Assist. Prof. Dr. Nienke Bosschaart van de Biomedical Photonic Imaging groep van de Universiteit Twente. OCT wordt in de kliniek veel gebruikt bij het vaststellen van aandoeningen van het netvlies. We hebben laten zien met deze technologie ook in staat te zijn om bloedvatstructuren in het model te visualiseren (Figuur 3).
Figuur 3. Beeldvorming door middel van OCT toont dwarsdoorsnedes van bloedvaten in het orgaan-op-een-chip model van het netvlies. De doorsnedes van de vaten komen overeen met het ontwerp.
In het derde jaar hebben we ons gericht op het in kaart brengen van de barrièrefunctie van de weefsels in ons orgaan-op-een-chip laboratoriummodel met behulp van een klinisch relevante techniek genaamd ‘fluoresceïne angiografie’. In de klinische diagnostiek wordt een fluorescente stof in de bloedstroom geïnjecteerd, waarna afwijkingen in de weefselbarrières en bloedvaten van het netvlies zichtbaar worden. Deze techniek hebben we aangepast en geschikt gemaakt voor ons orgaan-op-een-chip model (zie Figuur 4). Een fluorescente stof wordt met behulp van een pomp in de microkanalen gebracht, waarna het gemakkelijk uit de kanalen weglekt als er geen cellen aanwezig zijn (Figuur 4, middelste rij), maar juist in het kanaal blijft wanneer het orgaan-op-een-chip model cellen bevat (Figuur 4, onderste rij). Door de intensiteit van het signaal te volgen over de tijd (Figuur 4, rechts), kan de barrièrefunctie van het weefsel berekend worden. Deze functie is een essentiële parameter bij het inschatten van de gezondheid of ziekte van het gekweekte weefsel.
Figuur 4: In kaart brengen van barrièrefunctie in het orgaan-op-een-chip met behulp van fluoresceïne angiografie, een klinisch-diagnostische techniek. Zodra een fluorescente stof door het model wordt gepompt als er weefsel in gekweekt wordt, verspreidt de stof zich razendsnel (boven, midden, rechts). Wanneer er gezonde cellen in het model worden gekweekt, is deze verspreiding veel beperkter (onder, rechts).
Communicatie en Verspreiding van Projectresultaten
De resultaten van het project zijn in nationale en internationale context gecommuniceerd op vakbijeenkomsten en in vaktijdschriften. Hieronder is een lijst gegeven met de belangrijkste verspreidingskanalen:
- 9 maart 2016 – Posterpresentatie bij ‘International Organ-on-a-Chip Symposium’ op de Universiteit Twente, Enschede, Nederland
- 12-14 december 2016 – Presentatie op de internationale ‘MicroNanoConference’ in de Beurs van Berlage, Amsterdam, Nederland
- 2-3 mei 2017 – Presentatie bij ‘International Organ-on-a-Chip Symposium’ aan de Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Switzerland.
- 12-14 december 2017 – Posterpresentatie op de internationale ‘MicroNanoConference’ in de Beurs van Berlage, Amsterdam, Nederland
- 24-25 mei 2018 – Posterpresentatie op het ‘European Organ-on-a-chip Symposium’ aan het Fraunhofer Institute, Stuttgart, Duitsland
- 26 juni 2018 – Wetenschappelijke publicatie: Y.B. Arık, M.W. van der Helm, M. Odijk, L.I. Segerink, R. Passier, A. van den Berg, and A.D. van der Meer. “Barriers-on-chips: Measurement of Barrier Function of Tissues in Organs-on-chips”. Biomicrofluidics 12, 042218 (2018).
- 29 augustus 2018 – Wetenschappelijke publicatie: W.F. Quiros-Solano, N. Gaio, O.M.J.A. Stassen, Y.B. Arik, C. Silvestri, N.C.A. Van Engeland, A. Van der Meer, R. Passier, C.M. Sahlgren, C.V.C. Bouten, A. van den Berg, R.Dekker, and P.M. Sarro. “Microfabricated tuneable and transferable porous PDMS membranes for Organ-on-Chips”. Scientific Reports, in publicatie (2018)
- 08 november 2018 – Posterpresentatie op het “International Organ-on-a-chip Symposium” op de Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, Nederland
- 12 december 2018 – hDMT booth presentative en demonstratie op de International MicroNano Conference, Amsterdam, Nederland
Naast de verspreiding van onze resultaten in de vakliteratuur, heeft het projectteam ook een ‘Eye-on-a-Chip’ workshop georganiseerd, waarbij niet alleen wetenschappers, maar ook patiëntorganisaties en maatschappelijke organisaties zoals Stichting Proefdiervrij een bijdrage leverden (Figuur 4). Tijdens de tweedaagse bijeenkomst op 5 en 6 juli 2018, georganiseerd op het DesignLab van de Universiteit Twente, werd er vanuit een multidisciplinair perspectief gediscussieerd over kansen en uitdagingen van orgaan-op-een-chip laboratoriummodellen in biomedisch onderzoek naar oogaandoeningen. De workshop genereerde aandacht in de lokale media, met artikelen op de website van de Universiteit Twente, het U-Today Universiteitsmagazine en de Tubantia.
Figuur 5. Deelnemers aan de ‘Eye-on-a-Chip’ workshop aan de Universiteit Twente, op 5-6 juli 2018, georganiseerd door leden van het onderzoeksteam (Asst. Prof. Dr. Andries van der Meer en Prof. Dr. Anneke den Hollander).
Onderzoeksteam
Universiteit Twente
Prof. dr. Robert Passier, hoogleraar Applied Stem Cell Technologies, promotor.
Prof. dr. ir. Albert van den Berg, hoogleraar Miniaturized Systems for (Bio)Chemical Analysis, promotor.
Prof. (em.) dr. ir. Piet Bergveld.
Dr. Andries D. van der Meer, co-promotor, projectcoördinator
Yusuf Arik, MSc, promovendus
UMC Utrecht
Prof. dr. Timothy Radstake, hoogleraar Translationele Immunologie
Dr. Jonas Kuiper, groepsleider, Oogheelkundige Immunologie
Radboud UMC
Prof. dr. Anneke den Hollander, hoogleraar Moleculaire Oogheelkunde
Dr. Eiko de Jong, Assistant Professor, Oogheelkunde
Contactgegevens
dr. Andries D. van der Meer (projectcoördinator)
Afdeling ‘Applied Stem Cell Technologies’
Universiteit Twente
Postbus 217
7500 AE Enschede
Tel: +31 53 489 8064
andries.vandermeer@utwente.nl