Interview: Marcel Karperien en Liliana Moreira Teixeira over het OA-BioDetectChips onderzoek

• Humane Meetmodellen
• Nieuws

Artrose, ook wel bekend als osteoartrose (OA), is een aandoening waarbij de kwaliteit van het kraakbeen en bot in de gewrichten achteruitgaat. Het kraakbeen wordt dunner en minder glad, waardoor gewrichten stijver en pijnlijker worden en minder soepel bewegen. In Nederland lijden ongeveer 1,4 miljoen mensen aan artrose. Dit aantal zal naar verwachting stijgen tot 2,4 miljoen in 2040. Ondanks decennia van (pre)klinisch onderzoek is een genezende behandeling nog steeds niet gevonden. In onze reeks “Onderzoekers aan het woord” spreken we dit keer met Prof. dr. Marcel Karperien en Dr. Liliana Moreira Teixeira over het inmiddels afgeronde OA-BioDetectChips-onderzoek, met als doel het neerzetten van een (inter)nationale standaard voor gewrichtsonderzoek door de ontwikkeling van een zogenaamde gewricht-op-chip.

Hoe kwam jullie project tot stand?

Marcel: “Ik ben van origine bioloog en ben gepromoveerd op het gebied van ontwikkelingsbiologie. Na enkele postdoc-projecten aan de Universiteit van Leiden ben ik naar Twente gegaan, waar ik begon met het opzetten van een groep die zich richtte op technologieën zoals bioluminescentie beeldvorming (een techniek waarbij licht wordt gebruikt om processen in levende cellen en weefsels zichtbaar te maken) en oplossingen voor OA. We hebben verschillende benaderingen onderzocht, maar begonnen ook met het ontwikkelen van gewrichten-op-een-chip. Dit project startte in 2018 met de eerste PhD-studenten. Helaas werd een subsidieaanvraag daarvoor afgewezen, maar niet veel later werd de SGF-call toegekend. We waren erg blij dat we konden starten in deze samenstelling, waarin de achtergrond en expertise van iedereen goed op elkaar aansloot. Zo had Liliana al veel ervaring op het gebied van kraakbeenengineering.”

Liliana: “In mijn promotieonderzoek naar kraakbeenweefselengineering onderzocht ik fundamentele aspecten die nu ook relevant zijn voor ons afgeronde onderzoek. Daarna ontwikkelde ik verschillende technieken, met name gericht op bot- en kraakbeenherstel. De eerste orgaan-op-een-chip die ik maakte, was een beenmergmodel. Het was waardevol om te leren over het ontwerp en de fabricage van weefsels, maar ook over het analyseren van de data en het vergemakkelijken van het gebruik, bijvoorbeeld voor pharmaceutische bedrijven om stoffen te tesen. Het draait niet alleen om het maken van de chip, maar ook om de juiste informatie eruit te halen en die kennis toe te passen — van concept tot productie en uiteindelijk gebruik.”

“De sleutel tot vooruitgang ligt niet alleen in het ontwikkelen van technologie, maar in het begrijpen van de data die het oplevert.” 

Wat hebben jullie onderzocht en aangetoond in het project?

Marcel/Liliana: “Het doel van dit onderzoek was het namaken van een menselijk gewricht en alle essentiële weefsels daarin die hard getroffen worden door artrose (i.e. bot, kraakbeen en synoviaal weefsel een dun laagje slijmvlies dat gewrichtsmeer aanmaakt). Dit in de vorm van een organ-on-a-chip die ook de belastingen die een gewricht ondervindt en de ontstekingsmechanismen nabootst. Daarnaast wilden we beeldtechnieken ontwikkelen om de ziekteprogressie live in kaart te brengen, én het model valideren voor het testen van medicijnen. Daarvoor hebben we een aantal stappen gevolgd.

De eerste stap was om de toegevoegde waarde van bioluminescentie als niet-invasieve meetmethode voor analyses van organen-op-een-chip aan te tonen. Een groot voordeel van zo’n methode was dat we de chips konden hergebruiken en de cellen langere tijd konden bestuderen, wat het proces vereenvoudigde.
In de tweede stap wilden we de detectie verder verbeteren. Niet iedereen heeft een microscoop die bioluminescentie kan detecteren. Daarom ontwikkelden we een methode om het celgedrag op organ-on-chip-modellen te volgen via een telefooncamera. Het idee hierachter was om de techniek toegankelijker te maken voor iedereen. Hoewel de resolutie wat beperkter is, konden we toch veel informatie verkrijgen over celgedrag en biomarkers. Dit heeft ons in staat gesteld om verder te werken aan het begrijpen van OA en de verschillende mechanismen te onderzoeken die geassocieerd zijn met de ziekte. We richten ons nu meer op hoe we de ziekte kunnen behandelen en welke mechanismen actiever zijn bij een bepaald medicijn. De chip helpt ons om meer inzicht te krijgen in de ziekte en effectievere en persoonsgerichte medicijnen te ontwikkelen.”

Wat is het voordeel van organ-on-chip-technologie ten opzichte van dierproeven?

Liliana: “Er zijn al bestaande modellen, zoals paardenmodellen, die worden gebruikt voor OA. Deze zijn waardevol, maar weerspiegelen de situatie bij mensen niet volledig. Daarnaast zijn ze duur en ethisch discutabel. Bij dierproeven moet je goed onderbouwen hoeveel dieren je nodig hebt, waarom je ze gebruikt en welke diersoorten je kiest. Toch loop je tegen de grenzen aan van hoe representatief deze modellen zijn.
Ons doel is om het gebruik van dierproeven te verminderen en uiteindelijk te vervangen. Voorlopig blijven we dieren nog als standaard gebruiken om onze resultaten, naast klinische relsultaten mee te vergelijken. Maar we streven ernaar aan te tonen dat onze modellen net zo goed, of zelfs beter, werken dan traditionele diermodellen. Daarbij richten we ons op mens specifieke modellen om gerichtere therapieën te ontwikkelen.”
 
“Osteoartrose heeft vele oorzaken en geen uniforme oplossing. Alleen door gepersonaliseerde modellen kunnen we behandelingen vinden die écht werken.” 

Hoe beïnvloedt dit onderzoek uiteindelijk de patiënt?

Marcel: “We hebben nauw samengewerkt met een bedrijf dat geïnteresseerd is in het implementeren van deze technologie in hun medicijnonderzoek. Ze zijn actief bezig met het op de markt brengen van de technologie, wat hopelijk helpt om de ontwikkeling van nieuwe medicijnen te versnellen en sneller veelbelovende middelen te identificeren. Toch hebben we nog een lange weg te gaan.

In ons nieuwe project werken we aan de evaluatie van nieuwe medicijnen. We willen de techniek uit het vorige project verder verfijnen en toepassen voor het testen van de effectiviteit van nieuwe behandelingen. De resultaten uit deze modellen zijn vaak al binnen enkele dagen beschikbaar. Maar voordat we nieuwe medicijnen betrouwbaar kunnen evalueren moeten we het systeem verder standaardiseren en reproduceerbaar maken zodat het gebruikt kan worden in het wetenschapsveld en de industrie.”

Wat zijn de voordelen van een publiek-private samenwerking?

Marcel: “Een groot voordeel is dat je wordt gedwongen om na te denken over implementatie. Je ontwikkelt ontwerpen met het oog op de praktijk, iets wat zonder de betrokkenheid van bedrijven soms ontbreekt. Wetenschappers hebben namelijk de neiging om zich te verliezen in de schoonheid van de wetenschap en vergeten soms het implementatieproces. Bedrijven brengen unieke expertise mee om bevindingen om te zetten in bruikbare toepassingen, wat van onschatbare waarde is voor het project.”

Het OA-BioDetectChips-project is een samenwerking tussen de Universiteit Twente,  Erasmus Medical Center, Percuros B.V., chiron biotechnologies on chip en Stichting Proefdiervrij. Lees hier voor meer informatie.