Wat zijn Organen-op-Chips en wat kun je ermee?

Wetenschappers bouwen voortvarend aan Organen-op-Chips (afgekort OoC), maar wat zijn het eigenlijk en waar worden ze voor gebruikt?   

We kennen allemaal de chips in onze computers en telefoons: kleine plaatjes met allerlei verbindingen die zorgen voor transport van elektriciteit en data. Eigenlijk zijn Orgaan-op-Chip modellen daar de biologische variant van. Met cellen en weefsels in plaats van processors, en in plaats van data stroomt er bloed of een andere vloeistof doorheen.

Een Orgaan-op-Chip is vaak niet groter dan een pinpas. De chip bestaat uit een klein stukje celvriendelijk materiaal, zoals siliconen, met daarin kleine kanaaltjes. Deze zijn gevuld met (menselijke) cellen die een essentiële functie van het orgaan vervullen op zeer kleine schaal. Denk aan stukjes hartspiercellen die echt kloppen, of longblaasjes die ook echt uitzetten en inkrimpen om de ademhaling te simuleren.

De kanaaltjes met cellen worden met elkaar verbonden door een voortdurende vloeistofstroom. Dit levert de interacties op die organen in het lichaam ook hebben. Daarnaast kan de chip mechanisch of elektronisch gemanipuleerd worden om gezond weefsel en ook ziekteprocessen op orgaan- of weefselniveau na te bootsen. Ook kunnen bijvoorbeeld de temperatuur, vochtigheid en druk in de chip worden aangepast.

Hoe maak je een OoC?

Globaal gezien is een OoC opgebouwd uit cellen en een micro-omgeving.  

1. De cellen 

Afhankelijk van het gewenste OoC model zijn bepaalde cellen nodig. Voor een hart-op-een-chip heb je hartcellen nodig en voor long-op-een-chip zijn dat uiteraard longcellen. Maar in de longblaasjes zitten aan de kant waar de lucht binnenstroomt andere cellen dan aan de kant van de bloedstroom. Zo bevat elk orgaan wel tientallen celtypen. Bij het maken van een OoC is het dus belangrijk om op basis van de onderzoeksvraag precies de juiste cellen te kiezen.

De cellen die gebruikt worden in onderzoek zijn vaak via stamcellen gemaakt. Maar er kunnen ook primaire weefsels worden gebruikt, zoals weefsel uit biopten van patiënten, of cellijnen van cellen die alsmaar blijven delen. Al die verschillende cellen hebben hun voor- en nadelen. Zo zijn sommige weefsels beter beschikbaar, terwijl andere belangrijke informatie geven over de genetische achtergrond of de specifieke aandoening van de patiënt.

2. De micro-omgeving

Vervolgens moet de natuurlijke omgeving van de cellen worden nagebootst. Stel: er is een bloedvat-op-een-chip nodig. Een bloedvat is een ronde buis. Dan moet de chip de vorm van een ronde buis bevatten, waar de bloedvatcellen tegenaan kunnen groeien. De vorm van een orgaan is dus een belangrijk aspect voor de ontwerpers. Wanneer twee verschillende celtypen worden bestudeerd, zoals bij de bloed-hersenbarrière-op-een-chip, zijn doorlaatbare membranen weer een handige ondergrond voor de cellen om op te groeien. Als ondergrond van de chip wordt vaak zacht materiaal gebruikt, zoals siliconenrubber. Rubber kan de flexibiliteit en elasticiteit van het lichaam goed imiteren.

Hoe weet/meet je wat er in een OoC gebeurt? 

Het monitoren van wat er gebeurt in een OoC kan op een aantal manieren: 

• Met ingebouwde sensoren die verschillende gegevens zoals temperatuur, druk of pH continu meten.
• Met microscopische en beeldvormende technieken om cellulaire processen te bekijken.
• Met specifieke biomarkers (bijvoorbeeld specifieke eiwitten of glucose) om metabole activiteit te meten.

Waar worden OoCs voor gebruikt? 

Bronnen bij deze afbeeldingen: darm-op-een-chip; hart-op-een-chip; kanker-op-een-chip; brein-op-een-chip

Grofweg zijn er 3 toepassingen van Orgaan-op-Chip modellen.

1. Onderzoek naar ziekten

Door (zieke) Organen-op-Chips te maken is het mogelijk om veel te leren over hoe een ziekte ontstaat. Een voorbeeld is een studie naar aderverkalking. Deze verouderingsziekte leidt vaak tot trombose (bloedklontering), wat erg gevaarlijk is en bijvoorbeeld beroertes kan veroorzaken. Met een  bloedvat-op-een-chip kan deze bloedklontering worden nagebootst en bestudeerd. Dit alles op-een-chip en niet in een patiënt of proefdier.

2. Medicijnontwikkeling

Potentiële medicijnen kunnen met OoC snel getest worden op menselijke cellen. De ontwikkeling van medicijnen kan daardoor beter, veiliger, sneller en goedkoper worden. De ontwikkeling van nieuwe medicijnen duurt op dit moment lang en kost veel geld. Daarnaast faalt 90% van de veelbelovende medicijnen wanneer ze na dierproeven voor het eerst getest worden in mensen, vanwege onverwachte bijwerkingen of omdat ze geen effect blijken te hebben in mensen. Met Orgaan-op-Chip modellen kunnen stoffen al heel vroeg in het ontwikkeltraject op menselijk weefsel getest worden. Dit kan het proces versnellen en goedkoper maken. Ook kunnen de modellen waarschijnlijk helpen bij het vinden van nieuwe toepassingen voor bestaande medicijnen. 

3. Medicijnen op maat

Orgaan-op-Chip modellen met cellen van een patiënt geven heel gerichte informatie over het juiste medicijn voor die betreffende patiënt en kunnen een indicatie geven voor de juiste dosering. Medicijnen worden tot nu toe meestal ontwikkeld om de ‘gemiddelde patiënt’ te behandelen – vrijwel altijd een witte man van jeugdige tot middelbare leeftijd. Zo wees een studie onlangs uit dat de tien meest verkochte medicijnen in de Verenigde Staten gemiddeld voor maar 15% van de hele populatie effectief waren. Orgaan-op-Chip modellen geven de mogelijkheid om vooraf te testen of een medicijn voor een bepaalde patiëntgroep – of zelfs in de toekomst één specifieke patiënt – het juiste is. Dat is efficiënter en voorkomt veel bijwerkingen. 

Bijkomend voordeel is dat OoCs kunnen bijdragen aan het verminderen van het gebruik van proefdieren en het verbeteren van onderzoek.

Lees ook:

Bronnen

• Cahier "Miniorganen op chips" van stichting Biowetenschappen & Maatschappij (2020)