In dit wikiwijs arrangement is informatie en lesmateriaal te vinden over verschillende actuele biomedische toepassingen van de lab-on-a-chip techniek.
Het lesmateriaal is geschreven voor de vwo-bovenbouw en houdt rekening met de eindtermen uit de examensyllabus biologie.
Het lesmateriaal is opgezet volgens de concept-context benadering. Daarbij worden de volgende onderwerpen in de onderstaande volgorde besproken:
1. Wetenschappelijke context: Lab-on-a-chip techniek toepassen bij het creëren van kunstmatige kraakbeencellen.
2. Leefwereld context: Voordelen van een nier op chip voor nierpatiënten.
3. Beroepscontext: Onderzoek naar het onstaan van atherosclerose.
Waarom wordt Lab on a chip ingezet bij onderzoek in de biomedische richting?
- Er wordt veel gewerkt met stamcellen. Hiermee willen onderzoekers allerlei typen weefsel maken. Om een stamcel zich te laten ontwikkelen tot het gewenste type cel (zoals kraakbeen of longcellen) is het belangrijk dat er een omgeving gemaakt wordt waardoor het voor de cel lijkt alsof hij zich in het weefsel in het lichaam bevindt. Allerlei prikkels uit de omgeving zorgen dat de cel informatie krijgt om het juiste celtype te worden. Een Lab on a chip wordt dus gebruikt om de differentiatie van de cel in de gewenste richting te sturen door de omgeving (zoals die in het lichaam is) na te bootsen.
Een stamcel die in een petrischaal groeit kun je voorzien van chemische prikkels om de cel te stimuleren tot differentiatie. Er ontstaan wel allerlei verschillende celtypen, maar je hebt geen controle welk celtype dit wordt. Er is meer nodig. Het blijkt dat stamcellen heel gevoelig zijn voor mechanische prikkels. Je kunt dan denken aan druk, rek of oppervlaktestructuur (zie het arrangement over Topochip).
In een Lab on a chip kun je precies de processen en omstandigheden onder controle houden. Een longcel moet bijvoorbeeld contact hebben met lucht én regelmatig uitgerekt worden. Spiercellen kunnen pas een werkende spier worden, als ze in dezelfde richting liggen. Om dit te bereiken moeten de cellen ergens aan vast zitten én opgerekt worden. In een petrischaaltje is het moeilijk om deze omstandigheden precies re realiseren.
Lab on a chip is een technologie die werkt op kleine schaal, en de omstandigheden in een weefsel kan nabootsen. Het aanvoeren van zuurstof en voeding, het afvoeren van koolzuurgas en afvalstoffen gebeurt in het lichaam via de bloedstroom. In een Lab on a chip kan die bloedstroom nagemaakt worden in een kanaaltje dat net zo klein gemaakt kan worden als een haarvaatje. Het bewegen van het bloed, of bewegen van lucht, geeft de mechanische veranderingen waar de cel op reageert.
In het eerste deel van het arrangement wordt uitgelegd hoe Lab on a chip werkt, en welke prinicipes in verschillende biomedische toepassingen gebruikt worden.
Het tweede deel gaat in op de manier waarop biomedisch onderzoek gebruik maakt van Lab on a chip. Je komt daar meer te weten over de thema's waar biomedisch onderzoekers momenteel mee bezig zijn. Je zult in het ziekenhuis nu nog geen kunstnier met levende niercellen kunnen krijgen. Over tien jaar zou dat wel eens heel anders kunnen zijn.
Lab on a chip
Binnen de lab on a chip techniek worden een aantal verschillende principes gebruikt.
Voorbeelden die we binnen deze lessenreeks laten zien zijn:
1. druppelvorming; De chip zorgt voor het inpakken van stamcellen in een laagje gel.
2. orgaan op chip; de chip wordt hierbij gebruikt als een gecontroleerde kweekkamer waardoor cellen zich zo gaan gedragen alsof ze in het orgaan zelf groeien.
3. stroming in nauwe kanalen; Door het plaatsen van vernauwingen binnen een kanaal is turbulentie van de bloedstroom weer te geven.
Cellen inpakken in druppels
Lab on a chip wordt gebruikt om druppels te vormen. Het voordeel is dat de druppeltjes allemaal gelijk zijn.
Als een cel ingepakt wordt in een druppel ontstaat een mini-reageerbuisje. Het is mogelijk om druppeltjes met elkaar te laten versmelten. Een druppeltje waarin een medicijn zit kan versmelten met een druppel met een cel. Iedere druppel kan een verschillende concentraties medicijn bevatten. Zo kan precies het effect daarvan op de cel worden onderzocht.
Er zijn allelei soorten druppelchips ontwikkeld. Voor het vormen van druppels is het belangrijk dat er waterafstotende (hydrofobe of olie-achtige) vloeistof en een waterige (hydrofiele) vloeistof gebruikt worden.
Om cellen in te pakken maakt men waterdruppels in olie.
Een druppelchip (detail; site Micronit.com). Als er water-in-olie druppels ontstaan komt langs de de kanaaltjes boven en onder een oliestroom, en uit het kanaal rechts een waterstroom. Door een klein gaatje kan vloeistof naar links het middenste kanaal in. Een dun straaltje water komt dan tussen de olie en vormt de druppeltjes. Als in de waterstroom uit het rechterkanaal ook cellen mee komen, zullen de cellen in de druppeltjes terecht komen.
Een druppelchip met, in blauw, de vloeistofkanalen.
Inpakken van cellen in waterdruppels
Inpakken van kraakbeen stamcellen in een hydrogel met een Lab on a chip
Cellen kweken in een Orgaan op Chip
Kun je een orgaan, of een klein stukje van een orgaan, op een chip namaken?
Ja, dat lukt steeds beter. Een orgaan op chip is eigenlijk een mini kweekbakje, waarin de stroming van bloed en bewegingen worden nagebootst. Stamcellen die daar in groeien krijgen daardoor signalen alsof ze echt in het lichaam groeien. Dit maakt dat de stamcellen uitgroeien tot bloedvaten, longcellen, levercellen of niercellen. Uiteraard hangt dat af van de bouw van de chip.
Hieronder zie je een zogenaamde 'long op chip', waarin een bloedstroom (rood) en een luchtstroom (blauw) nagemaakt worden.
Er is een dun membraan tussen de kanalen voor bloed en lucht, waarop de longcellen groeien. Het zijn epitheelcellen van longwand en bloedvat aan weerszijden van het membraan. Met deze chip kan het effect van medicijnen, vervuiling in de lucht of infecties onderzocht worden bij ontstaan en behandeling van astma.
Een long op chip, om onderzoek te doen aan Astma. Rood: kanaal voor bloed, blauw: kanaal voor lucht. Daartussen een membraan met longcellen. Met vacuum wordt de adembeweging nagebootst.
OnderschriftOrgaan op Chip in werking, met slangen die vloeistof aan- en afvoeren, op een microscoop om de cellen te bestuderen.
Niercellen kweken, en zorgen dat die samen bloed kunnen zuiveren en urine produceren, is een heel andere uitdaging.
De eerste implanteerbare kunstnier zou in 2017 bij patienten getest kunnen worden.
Vloeistof gedraagt zich in nauwe kanaaltjes anders dan je verwacht.
Het eerste dat opvalt is capillaire werking. Als vloeistof aan de wand hecht (adhesie) kruipt de vloeistof een dun kanaaltje (ook capillair genoemd) binnen. Hoe dunner de capillair, hoe verder de vloeistof er in trekt. Planten hebben dunne kanaaltjes in hun stengels om water te vervoeren. Dit gebeurt mede door capillaire werking. Hoe dunner het kanaaltje is, hoe groter het effect van het plakken aan de wand is. Daardoor is het moeilijk om de vloeistof door het kanaal heen te duwen. De weerstand neemt toe.
Een tweede verschijnsel is de laminaire stroming. Vloeistof plakt een beetje aan de wand en glijdt er langs. Daardoor onstaan laagjes in de vloeistof (lamina betekent laagje; je kent dat van laminaat). In de vloeistof schuiven de laagjes naast elkaar door het kanaaltje. Ook als je in een dun kanaaltje twee verschillende vloeistoffen bij elkaar laat komen, blijven ze in laagjes naast elkaar stromen. In buisjes tot ongeveer 10 mm doorsnede zal bij lage snelheden de stroming laminair zijn. In kanaaltjes van minder dan 1 mm doorsnede blijft de stoming ook bij hogere snelheden laminair. In nog dunnere kanalen is het vrijwel onmogelijk om turbulentie te krijgen. Dat betekent dat het mengen van vloeistoffen bij Lab on a chips een lastige opgave is.
Als vloeistof met hoge snelheid door een buis gaat zal er op enig moment werveling (turbulentie) optreden. Er ontstaan kleine draaikolkjes, waardoor de vloeistof zich gaat mengen. Tegelijk wordt het moeilijker om de vloeistof door de buis te duwen. De weerstand neemt toe.
Neem een injectiespuit en bevestig daaraan een dunne naald. Vul de spuit me water. Spuit het water er uit met een lage druk, en verhoog de kracht. Wat merk je als je steeds harder op de spuit duwt?
- eigenschappen: groepjes cellen, ingepakt in chondroitine, delen zich niet, geen bloedvaten aanwezig.
- stevig, glad (op de oppervlakte van botten)
- hyalien kraakbeen in de oorschelp of neus
- elastisch kraakbeen in de luchtpijp, oor
Verschillen in vezels: collageen, elastine en tussencellen.
Bot: veel vezels, toegevoegde Ca-zouten.
Bindweefsel (zoals pezen: veel vezels, weinig water)
Plaatjes
Waarom is het nodig om kraakbeen te maken?
- kraakbeen is niet doorbloed
- groeit uit zichzelf niet, herstelt uit zichzelf (dus ook) niet. Kraakbeencel deelt zich wel, maar dan alleen om een verloren gegane cel te vervangen. De cellen onderhouden de matrix. Als dat niet, of te weinig gebeurt, slijt het kraakbeen tijdens gebruik.
- slijtage door gebruik. Bij (te) hoge druk op het kraakbeen gaat de kraakbeencel de matrix (gelei) kapot maken. Alleen is de kraakbeencel niet in staat de matrix opnieuw te maken. Daardoor ontstaat er een gat in de kraakbeenlaag. Door de ruwheid van het oppervlak ontstaat er nog meer slijtage, en zal na verloop van tijd het ene bot over het andere schuren en ontstaat (veel) pijn in het gewricht.
- kraakbeencellen maken uit stamcellen is mogelijk, maar alleen als de cellen in een gelei zitten.
Maken van kraakbeen uit stamcellen kan alleen als de stamcellen in een holletje opgesloten zitten.
Stamcellen die niet opgesloten zijn, groeien uit tot bindweefsel of botcellen. Daardoor is het heel lastig om in een petrischaal kraakbeencellen te laten groeien. Om dat te bereiken maken we gebruik van Lab on a chip technieken, in het bijzonder de druppelchip.
Hoe maakt men nieuw kraakbeen?
Beschadigingen aan kraakbeen, zoals een beschadigde meniscus (afb. 1) of een afgesleten gewrichtsvlak, herstellen zich niet vanzelf door het ontbreken van bloedvaten en zenuwcellen. Bovendien delen kraakbeencellen zich nauwelijks. De cellen zitten ingepakt in een dikke laag stevige gelei, die de eigenlijke kraakbeenstructuur vormt. Door middel van weefselkweek kunnen autologe kraakbeencellen worden gekweekt in een matrix die de structuur van het kraakbeenweefsel vormt. De matrix met cellen kan vervolgens op de plaats van het defect worden ingebracht (afb. 2)
De kraakbeencellen worden van een andere plaats in het lichaam geoogst en behandeld met eiwitsplitsende enzymen, zodat de extracellulaire matrix (ECM) wordt afgebroken. Wat overblijft zijn cellen, waar nog een pericellulaire matrix (PCM) omheen ligt. Deze matrix voorziet de cellen van de benodigde zuurstof en voedingsstoffen, en voert afvalstoffen af.
Afbeelding 1 Kraakbeenbeschadiging Afbeelding 2 Kweken van cellen op matrix
Na het oogsten van de cellen wordt de extracellulaire matrix (ECM) m.b.v. enzymen afgebroken. Wat overblijft zijn cellen gelegen in een pericellulaire matrix (PCM). Deze matrix voorziet de cellen van de benodigde voedingsstoffen en zuurstof en voert afvalstoffen af. (afb. 3). Cellen die op kweek worden gezet zullen gaan dedifferentiëren, hierbij zullen zij meer kraakbeenepitheelweefsel gaan vormen en hun kenmerkende ronde vorm verliezen (afb. 4). Door dit vormverlies zal ook de functie van het kraakbeen verloren gaan en zal geen nieuw ECM vanuit de chondrocyten worden gevormd
Afbeelding 3 Kraakbeencellen in matrix Afbeelding 4 Dedifferentiatie kraakbeencellen
De vraag is dan ook hoe kunnen in vitro kraakbeencellen worden gevormd die dezelfde vorm en functie behouden als in vivo cellen?
Tom Kamperman (vakgroep Developmental BioEngineering, UT) doet onderzoek hoe een kraakbeencel kunstmatig kan worden ingebed in een microgel. Hij gebruikt hiervoor lab-on-a chip technologie. De kraakbeencel wordt door een olie-emulsie geleid. D.m.v. UV-licht wordt een hydrogel rondom de kraakbeencel gegenereerd. (afb. 5). Deze hydrogel dient als matrix rondom de chondrocyt. De zo gevormde ingekapselde chondrocyten zijn 25-50µm groot. In de tweede stap van het onderzoek worden groeifactoren en ECM bevorderende stoffen toegevoegd om zo goed mogelijk de natuurlijke situatie na te bootsen. De toepassing van dit idee is dat op deze wijze verkrijgen ingekapselde autologe kraakbeencellen middels een injecteerbare pleister worden ingebracht in een kraakbeendefect bij bijv. artrose-patiënten (afb. 6).
injecteerbare kraakbeenpleister
De levende kunstnier
Hoe zijn je nieren opgebouwd?
Fabian zit vast aan een dialyseapparaat, 40 uur per week. “Een spontaan weekendje weg zit er niet meer in”, vertelt hij. “Ondanks mijn dialyse lukt het wel om op vakantie te gaan, maar dat moeten we ver van te voren organiseren.” Dialyseren is zwaar. Jaarlijks overlijden 1.000 dialysepatiënten. Veel patiënten zeggen: dialyse is geen leven, maar óverleven.
Je nieren zijn belangrijke organen, ze filteren (ultrafiltratie) je bloed en daarbij ontstaat uit verschillende afvalstoffen je urine. Daanaast zorgen je nieren dat nuttige stoffen zoals water, zouten en enkele andere stoffen weer terug gewonnen worden uit de urine. Per dag ontstaat er per nier 180 Liter voorurine, dat mag niet zomaar je lichaam verlaten daarom nemen de nieren weer een heleboel stoffen terug op in het bloed (terugresorptie). Uiteindelijk plas je maar 1,5 Liter urine per dag uit.
Naast de functies van de nieren die hierboven beschreven zijn heeft de nier nog andere functies. Bekijk het filmpje hieronder en beantwoord de onderstaande vragen.
Hoe werken je nieren?
Wat is het belang van een draagbare kunstnier?
Innovatie realiseren op het gebied van dialyse is hard nodig. De afgelopen jaren heeft de nierstichting samen met patiënten, professionals, wetenschappers en bedrijven veel geïnvesteerd in de ontwikkeling van de draagbare kunstnier. De verschillende onderzoeksprojecten hebben ons geleerd dat met nieuwe membranen, filters en sensoren de dialyse verbeterd kan worden.
De draagbare kunstnier kan Fabian weer de vrijheid en energie geven om een gewoon leven te leiden. Maar zo ver is het nu nog niet. In 2015 is de eerste werkende testversie van een kleine draagbare kunstnier gemaakt en is men gestart met de eerste testen. In 2016 zetten we deze testen voort en onderzoeken we op welke wijze we het gebruiksgemak kunnen vergroten en de impact van thuisdialyse op het leven van de patiënt kunnen minimaliseren. Dit vormt de opmaat naar een prototype van de draagbare kunstnier, die een eerste kleine groep patiënten naar verwachting eind 2017 in een klinische setting kan testen.
Bekijk het onderstaande filmpje met informatie van de nierstichting over de draagbare kunstnier en beantwoord de onderstaande vragen.
The Portable Artificial Kidney
Hoe kun je op klein formaat een goed functionerende nier maken?
Stel je voor dat je als medisch bioloog werk wil verrichten om een draagbare kunstnier mogelijk te maken. Wat zijn dan de problemen die je tegenkomt? En welk onderzoek is er reeds gedaan?
Bedenk voordat je verder gaat voor jezelf twee onderdelen uit de huidige nierdialyse techniek die lastig te verkleinen zijn.
Lees vervolgens de tekst van de onderstaande link:
Op welke manier kan de lab-on-a-chip techniek bijdragen aan stollingsonderzoek?
Bloedvaten op chip
JP Frimat, Heleen Middelkamp, Andries van der Meer, E. Westein.
Bloedvaten
Vernauwingen
Atherosclerose en stolling
Microscopisch kleine bloedvaten in microkanalen. Vaatwandcellen kunnen worden ingebed in een driedimensionale gel en worden gekweekt in een microkanaal. De cellen zullen dan spontaan bloedvatachtige structuren vormen (links, midden). Door vaatwandcellen op de wand van een microkanaal te kweken, kunnen ze worden blootgesteld aan stromend bloed en kan de stollingsketen worden geanalyseerd (rechts). (Onderzoek van dr. Andries van der Meer, Universiteit Twente.
Het arrangement Biomedische toepassingen met Lab on a chip is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
