Als farmacologie en theoretische fysica elkaar ontmoeten

Nieuw miniatuursysteem om nier en darm te bestuderen

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht ontwikkelden een nieuwe organ-on-a-chip: een apparaatje om nieren en darmen in mini-formaat na te bootsen en te bestuderen. Het device is het resultaat van een bijzondere samenwerking tussen farmacologie en theoretische fysica, waardoor de vloeistofstromen in het apparaatje aanzienlijk werden verbeterd. De onderzoekers publiceren hun bevindingen 24 juli in Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

De chip is zo aangepast dat we vloeistofstromen zo echt mogelijk kunnen nabootsen.

“In dit onderzoek hebben we een chip gemaakt waarmee we de nier en de darm in miniatuur nabootsen en effecten van stoffen op deze organen kunnen bestuderen”, vertelt hoogleraar Experimentele farmacologie Roos Masereeuw. Vloeistofstromen, zoals bloed, beïnvloeden de ontwikkeling en het functioneren van cellen in deze apparaatjes. “We wisten alleen niet hoeveel stroming nodig was voor de juiste ontwikkeling en of dit de werkelijkheid zo goed mogelijk benaderde. De chip is op basis van de berekeningen van de onderzoeksgroep van René van Roij zo aangepast dat we vloeistofstromen zo echt mogelijk kunnen nabootsen.”

Organ-on-a-chip with Gut, Kidney and Plasma

De miniatuur-darm en -nier bestaat uit een buis in een doosje, waar water doorheen stroomt. Op de buis worden cellen geplaatst, die in het ideale geval uitgroeien tot een dichte, homogene laag van specifieke nier- of darmwandcellen onder invloed van de druk van de langsstromende vloeistof die de bloedstroom nabootst.

Hierdoor komt het pre-klinisch in vitro testen van geneesmiddelen op dierproefvrije wijze een stap dichterbij.

“Dankzij onze theoretische berekeningen hebben we een veel beter idee welke kanaalgeometrie optimaal is, zoals de vorm van het bakje, de locatie van invoer en afvoer, de locatie van de buis in de chip”, vertelt fysicus René van Roij, hoogleraar Theorie van zachte materie. “Ook weten we nu beter hoe snel je de vloeistof peristaltisch moet pompen om een mooie laag van goed-ontwikkelde nier- of darmwandcellen in vitro te genereren. In het aangepaste device observeerden we betere laagvorming en betere celontwikkeling. Hierdoor komt het pre-klinisch in vitro testen van geneesmiddelen op dierproefvrije wijze een stap dichterbij.”

Serendipiteit

Dat de chip de werkelijkheid zo goed benadert is te danken aan de samenwerking tussen de twee heel verschillende onderzoeksgebieden. “Dit kon alleen door de combinatie van onze twee expertises”, zegt Roos Masereeuw. Die samenwerking kwam toevallig tot stand. “Pure serendipiteit!”, zegt Van Roij. “Tijdens de Academische Jaaropening zat ik toevallig naast Roos. We maakten kennis, en toen ze hoorde dat ik fysicus ben, vroeg ze of ik toevallig iemand kende in mijn departement die een expert is op het gebied van vloeistofstroming en microfluidica. Tja, dat was ik dus zelf.” Masterstudent theoretische fysica Nicky Langerak rekende en modelleerde vervolgens een jaar lang aan het organ-on-a-chip-device, in nauwe samenwerking met Haysam Ahmed, postdoc in de farmacologie-groep, die functioneren van het device testte.

“We hebben nu een model waarmee we verder kunnen in een vervolgproject waarbij we de darm aan de nier koppelen”, zegt Masereeuw. “In dat project gaan we nierziekte modelleren en bestuderen hoe dit van invloed kan zijn op het functioneren van de darm.”

Publication

A theoretical and experimental study to optimize cell differentiation in a novel intestinal chip. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 24 juli 2020. Nicky Langerak*, Haysam M. Ahmed*, Igor R. Middel*, Yang Li*, Hossein Eslami Amirabadi*, Jos Malda*, Rosalinde (Roos) Masereeuw*, René van Roij* DOI: 10.3389/fbioe.2020.00763

*Verbonden aan de Universiteit Utrecht