Na zes dagen activiteit gemeten in biopt van menselijk hersenweefsel

Onderzoekers van het Academisch Centrum voor Epileptologie van het Maastricht UMC+, de TU Eindhoven en het LUMC zijn erin geslaagd in operatief verwijderd hersenweefsel gedurende een periode van zes dagen nog activiteiten te meten. De informatie die hierbij is opgedaan kan een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van een zogeheten brain biopsy-on-a-chip.

Bij medisch-wetenschappelijk onderzoek speelt het gebruik van proefdieren nog altijd een belangrijke rol. De samenleving is volgens de betrokken partijen echter steeds kritischer over het nut en de noodzaak van het gebruik van proefdieren voor dit doeleinden. Daarnaast is steeds duidelijker dat dierproeven slechts een beperkte voorspellende waarde hebben voor de uitkomst van een vervolgstudie in patiënten.

Proefdiervrije modellen

Al langer zoeken onderzoekers dan ook naar een alternatief en proefdiervrije modellen. Zo werken wereldwijd onderzoekers aan het vervaardigen van ‘mini-organen’ uit menselijke stamcellen, die ook wel ‘organoïden’ worden genoemd. Deze methode is echter niet voor alle medisch-wetenschappelijke onderzoeken bruikbaar. Zo zijn de menselijke hersenen qua structuur en functie dusdanig complex dat het ontwikkelen van een mini-brein uit menselijke stamcellen nog in de kinderschoenen staat.

De brain biopsy-on-a-chip kan uitkomst bieden en een alternatief zijn. Bij dit concept nemen artsen een biopt van hersenweefsel en zorgen dit weefsel buiten het lichaam actief blijft. Een dergelijke chip kan worden ingezet voor medisch-wetenschappelijk onderzoek en het gebruik van proefdieren voor hersenonderzoek terugdringen.

Hersenweefsel en elektroden verbinden

Het concept bestaat in de praktijk uit meerdere lagen. Een printplaat met 120 elektroden (contactpunten) vormt hierbij de basis. Op deze printplaat kweken de onderzoekers stamcellen, die dankzij stimulatie uitgroeien tot een laagje zenuwcellen. Deze zenuwcellen moeten vervolgens contact maken met de elektroden, wat het meten van elektrische activiteit mogelijk maakt.

De onderzoekers van het Academisch Centrum voor Epileptologie zijn erin geslaagd dit concept in de praktijk te realiseren. Hierbij is een stukje menselijk hersenweefsel dat tijdens een epilepsiebehandeling chirurgisch is verwijderd direct op de zenuwlaag op de printplaat geplaatst. De zenuwcellaag fungeert hierbij als biologische schakel tussen het hersenweefsel en de elektroden. Het concept blijkt in de praktijk te werken; het model is in kweek gehouden en vertoonde na zes dagen nog epileptische activiteit.

Gepersonaliseerde behandelingen evalueren

De Maastrichtse hersenonderzoeker Dr. Govert Hoogland is lovend over de mogelijkheden: “Nieuwe experimenten zullen moeten uitwijzen of dit een bruikbaar model is maar onze benadering levert in potentie een klinisch relevant alternatief op voor proefdiervrij hersenonderzoek van bijvoorbeeld epilepsie. Het opent daarmee de weg om nieuwe, gepersonaliseerde behandelingen te evalueren.”

Het concept en de kweekmaterialen zijn ontwikkeld door Dr. J.P. Frimat en dr. R. Luttge, die deel uitmaken van de onderzoeksgroep Neuro-Nanoscale Engineering van divisie Microsystems van de TU/e. Dr. J.P. Frimat is inmiddels werkzaam bij de afdeling Humane Genetica en Neurologie (LUMC). Dr. O. Schijns, dr. J. Dings, dr. K. Rijkers en dr. G. Hoogland, afdeling Neurochirurgie en school for Mental Health and Neuroscience (MUMC+) pasten het concept en de kweekmaterialen toe in menselijk hersenweefsel. Promovendus M. Hu en prof. A. van Maagdenberg, afdeling Humane Genetica en Neurologie (LUMC) analyseerde de gemeten activiteit. Meer informatie over het onderzoek is hier beschikbaar.

Leidende rol in alternatieven voor dierproeven

Nederland wil een leidende rol spelen in de ontwikkeling van alternatieven voor onderzoeksmethoden waarbij dierproeven zijn ingezet. Zo sprak de Nederlandse regering in 2016 de ambitie uit om in 2025 internationaal koploper te zijn op dit vlak. Op dit vlak zijn in Nederland dan ook diverse ontwikkelingen.

Een voorbeeld is onderzoek van neurobioloog Nael Nadif Kasri van het Radboudumc. In een meerdere publicaties illustreert Kasri de potentie van zogeheten ‘minibreintjes’, die zijn gekweekt uit huidcellen. Deze vertonen een kenmerkend patroon van elektrische ontladingen. Onderzoek wijst uit dat dit patroon anders is bij mensen met een neurologische aandoening of verstandelijke beperking.

Basisritme

Kasri stopte gekweekte hersencellen in kleine bakjes, waar de cellen onderling contact maken. Hierdoor ontstaat een netwerk van met elkaar verbonden hersencellen, die elektrische signalen afgeven. De werking lijkt hierbij op de hersencellen in het menselijk hoofd. De gekweekte hersencellen geven na enige tijd een bepaald patroon af. Hierbij ontstaat een soort elektrisch basisritme, dat met behulp van een chip in het bakje kan worden opgevangen.

Voor iedereen met gezonde hersencellen is dit basisritme hetzelfde. Gekweekte hersencellen van bijvoorbeeld iemand met een hersenaandoening vertoont eveneens een basisritme, maar dit ritme wijkt af van het ‘normale’ basisritme. Zo blijken bijvoorbeeld mensen met MELAS (Mitochondriële Encefalomyopathie, Lactaat Acidose en Stroke) hetzelfde afwijkende patroon te vertonen, wat kenmerkend is voor hun aandoening.

SMART Organ-on-Chip

Een ander voorbeeld is het Nederlandse consortium hDMT, waarin tien onderzoeksgroepen van acht universiteiten zich hebben verzameld. De partijen werken samen met bedrijven, kennisinstellingen en stichtingen. In totaal zijn 33 partijen betrokken. Samen willen zij een gestandaardiseerd en modulair platform ontwikkelen voor organs-on-chips genaamd SMART Organ-on-Chip.

Organ-on-Chip Development Centre

Meer recent – in mei 2023 – investeerde de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) ruim drie miljoen euro in het Organ-on-Chip Development Centre, dat onder leiding staat van dr. Andries van der Meer. Het centrum werkt aan het opzetten van een faciliteit genaamd hDMT INFRA OoCDev. Deze faciliteit moet de ontwikkeling van innovatieve organs-on-chips mogelijk maken door het bundelen van grensverleggende infrastructuur en technische expertise.

“Met deze faciliteit wordt het mogelijk om organs-on-chips te ontwikkelen die echt next generation zijn, met werkende driedimensionale weefsels, bloedstroom en dynamische belasting”, licht Dr. Van der Meer toe. “Het Organ-on-Chip Development Centre biedt een centrale plek voor dit pionierswerk, niet alleen voor lokale onderzoekers, maar juist ook voor alle wetenschappers van andere instituten die zijn aangesloten bij het nationale ‘Institute for human Organ and Disease Model Technologies (hDMT)’”

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: Kohji Asakawa via Pixabay