KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 28, FEBRUARI 2016

Biomedici en chirurgen zij aan zij met massaspectrometristen

Over een half jaar vindt aan de Universiteit Maastricht de officiële opening plaats van een uniek laboratorium, waarin fundamentele en klinische onderzoekers elkaar vinden in disciplines als immunologie, metabolic profiling en imaging. De synergie in translationeel onderzoek moet binnen enkele jaren leiden tot de OK van de toekomst, de eerste moleculaire operatiekamer. Maar ook ander onderzoek trekt hier profijt van.

Bijna zeventien jaar geleden startte
M’hamed Hadfoune zijn carrière bij
de Universiteit Maastricht als analist
bij het onderzoekslaboratorium van
de afdeling Algemene Heelkunde.
Sinds die tijd heeft het onderzoek
een enorme vlucht genomen, maar
die ontwikkelingen lijken wel in het
niet te vallen bij wat er het afgelopen
jaar in of beter gezegd naast zijn
laboratorium is gebeurd.

En vooral: bij wat er nog staat te
gebeuren. Katalysator voor die |
ontwikkelingen is de aanstelling
in 2014 van Ron Heeren als
universiteitshoogleraar bij de
Universiteit Maastricht. Heeren,
die bij het Amsterdamse FOM-instituut
AMOLF imaging met behulp van
massaspectrometrie op de kaart
heeft gezet, is in Maastricht één van
de directeuren van het nieuw opgezette
M4I, wat staat voor Maastricht MultiModal Molecular Imaging Institute. Daar richt hij zich met massaspectrometrie op molecular imaging op submicroschaal. Mededirecteur en eveneens universiteitshoogleraar Peter Peeters, afkomstig van het NKI, kijkt ook naar moleculen, maar dan op nanoschaal met veelal elektronenmicroscopische technieken. “Belangrijke reden om de stap naar Maastricht te maken was dat we hier de brug kunnen slaan tussen onze fundamentele moleculaire research en de toepassing daarvan in de kliniek, translationeel onderzoek kunnen bedrijven. Die klinische verankering kunnen we realiseren door samenwerking met de onderzoeksgroep Algemene Heelkunde van Steven Olde Damink, die feitelijk de initiator van dit alles is geweest. Ons instituut is ingebed in de Faculty of Health, Medicine and Life Sciences van de Universiteit Maastricht, en we werken nauw samen met de afdelingen Algemene Heelkunde en Pathologie van het ziekenhuis, het MUMC+. Wij zijn enorm gebaat bij de nabijheid van al die klinische expertise en de beschikbaarheid van humaan onderzoeksmateriaal om onze experimenten uit te voeren, terwijl de klinici profiteren van een hele nieuwe dimensie aan instrumentarium om metingen te verrichten. Het schouder aan schouder bedenken en uitvoeren van projecten geeft een enorme impuls aan het onderzoek, zowel qua snelheid als qua resultaten”, vertelt Ron Heeren enthousiast.

 

 

 

Nieuwe labstructuur

Dat schouder aan schouder kan je bijna letterlijk nemen, als je kijkt
naar het resultaat van bijna een jaar verbouwen van de lab- en
kantoorruimtes. “In de open, lichte kantoren zitten mensen van
heelkunde en M4I door elkaar. Dat werkt zeer stimulerend, zeker
voor de vele recente nieuwkomers en al het personeel dat we nog
gaan aannemen. Met M4I zitten we nu op een kleine 80 medewerkers,
maar dat zullen er eind van het jaar minstens 100 zijn. Samen met
heelkunde komen we dan op een bezetting van 140 tot 150”, zegt Ron Heeren. Ook de laboratoria zijn open, door het zoveel mogelijk toepassen van glazen wanden. Vanuit het heelkunde lab, met een scala aan immunologische technieken aan de ene kant, kijk je zo door het metabole lab van heelkunde naar imaging van M4I aan de andere kant. Die open structuur ➞ bevordert ook de uitwisseling tussen de verschillende disciplines, zodat je optimaal kunt profiteren van elkaars expertise. “Elk van de drie disciplines –imaging, metabolic en moleculair– voert binnen een project zijn deel uit. Het lab vormt zo een soort van blauwdruk voor de projectstappen in het multidisciplinair onderzoek dat we hier kunnen bedrijven. Imaging levert bijvoorbeeld een hele trits van eiwitten op die een rol kunnen spelen in bepaalde processen. Bij het immunologisch lab binnen de heelkunde kunnen we tegen die eiwitten antilichamen ontwikkelen, die kunnen worden toegepast in klinische experimenten. Het metabole lab verricht kwantitatieve analyses van metabolieten ten behoeve van de eigen en externe onderzoekslijnen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van geavanceerde chromatografische en massaspectrometrische apparatuur voor scheiding en detectie van metabolieten. Een nieuwe ontwikkeling binnen het metabole lab is de inzet van deze technieken om de zuiverheid en microheterogeniteit van eiwitten (bijvoorbeeld antilichamen die in het immunologisch lab geproduceerd zijn) na te gaan. Het indelen in functionaliteiten zorgt er ook voor dat je per deel de mankracht, kennis en systemen verder kunt ontwikkelen, waardoor je elkaar steeds beter kunt helpen en van meer waarde kunt zijn voor de onderzoeksprojecten”, vertelt M’hamed Hadfoune.

“In Maastricht kunnen we de brug slaan tussen fundamentele moleculaire research en de toepassing daarvan in de kliniek, kunnen we translationeel onderzoek bedrijven.”

 

NEC

De extra kansen die de nieuwe manier
van onderzoek bedrijven geeft, kan
M’hamed illustreren aan de hand van
een lopend onderzoek naar
eiwitmarkers voor darmischemie.

“Uit klinisch experimenteel onderzoek
waarbij tijdens een operatie een
darmsegmentje, dat sowieso uit de
patiënt verwijderd dient te worden, korte tijd van bloed werd onthouden, kunnen op basis van de eiwitten die daarbij vrijkomen, nieuwe markers ontdekt worden voor darmischemie. De profielen van een tweetal eiwitten, IFABP en SM22, die vrijkomen uit de darm bij dergelijke aandoeningen die in de kliniek vaak heel moeilijk zijn te diagnosticeren, worden verder bestudeerd en gevalideerd als marker. Als iemand acute buikpijn heeft, kan dat van alles zijn, en dus ook darmischemie, een aandoening met een hoge morbiditeit en mortaliteit. Een diagnostische test hiervoor kan dan uitkomst bieden, om te beoordelen of een patiënt al dan niet geopereerd moet worden. Ook kan dit helpen bij het diagnosticeren van NEC, necrotiserende enterocolitis, een levensbedreigende aandoening die voor kan komen bij pasgeboren baby’s, waar op dit moment geen harde test voor beschikbaar is. De diagnose wordt op dit moment onder andere gedaan aan de hand van beeldvormende technieken waarbij wordt gekeken of er lucht in de darmwand zichtbaar is. Met de assay die wij aan het ontwikkelen zijn, kun je in de urine van de baby meten of IFABP en SM22 verhoogd zijn. Als dat voor beide eiwitten het geval is, kun je met een grotere mate van zekerheid stellen dat de darm ernstig is aangetast en heb je dus mogelijk een eindpuntmeting, waarop je kunt besluiten om de buik open te maken. Je kunt ook nog een gedifferentieerd beeld uit deze test halen. Als alleen IFABP, dat in de top van de villi zit, is verhoogd, dan is de schade beperkt tot de oppervlakkige mucosale laag. Een verhoging van SM22, dat in de spierlaag zit, duidt op een diepere aantasting van de darm, maar de alarmbellen gaan pas echt af als beide waarden verhoogd zijn.” De onderzoekers van Algemene Heelkunde hebben tegen deze twee eiwitten zeer specifieke antilichamen ontwikkeld en hebben daarvan met behulp van hybridomatechnologie een research assay ontwikkeld. Dit werk, waarbij ze veel gebruik maken van Greiner Bio-One disposables als kweekflessen en ELISA-platen, hebben de moleculaire wetenschappers goed in de vingers getuige de vele eerdere research assays uit hun laboratorium die via een partnerbedrijf verkrijgbaar zijn. “Maar voor de eerste keer gaan we een stap verder door deze assay door te ontwikkelen tot een diagnostisch assay, waarmee we voor dit ziektebeeld de eerste in de wereld zullen zijn. Flink wat werk –alles bij elkaar is dat een proces van bijna twee jaar– , maar wel iets waar we trots op mogen zijn!”, aldus M’hamed Hadfoune.

 

Meerwaarde door imaging

De diagnostische test had wellicht sneller op de markt kunnen zijn en zelfs anders samengesteld als vanaf het begin van het onderzoeksproject de imaging massaspectrometers van M4I –nu een luttele dertig meter verderop– konden worden ingezet. “Met imaging maak je in feite een chemische foto van het oppervlak van bijvoorbeeld een weefselcoupe. Door een laser- of deeltjesbundel op het oppervlak te schieten, komen er moleculen vrij die je vervolgens met de MS kunt detecteren. Door dit punt voor punt te doen bouw je een beeld op van duizenden pixels, waarbij aan iedere pixel een massaspectrum is gekoppeld met duizenden pieken. Daarmee kun je per piek een beeld in elkaar zetten, zodat je heel gedetailleerd (en heel snel!) de verdeling van bepaalde moleculen over een structuur kunt bepalen. In het geval van het darmischemieonderzoek hadden we dit ook kunnen doen, en dan waren daar naar alle waarschijnlijkheid ook die twee karakteristieke eiwitten uitgerold. Maar voor hetzelfde geld hadden we ook andere potentiële markerkandidaten gevonden, die je na klinisch-diagnostische validatie ook voor de test zou kunnen gebruiken”, stelt Ron Heeren.

 

32 kleurtjes

De constatering van Ron stelt de onderzoekers direct weer voor een nieuwe uitdaging: het detecteren van meer dan twee verschillende eiwitten in één assay. Nu kom je niet veel verder dan een dubbelkleuring; een triple kleuring is al lastig en over vier zullen we het maar niet Steven Olde Damink (links) en Ron Heeren zetten in op de operatiekamer van de toekomst waarbij een grote rol is weggelegd voor de moleculaire informatie die bijna realtime met MS-imaging kan worden verkregen en direct door de chirurg tijdens het opereren kan worden gebruikt. Maar ook hier biedt imaging uitkomst. Door de te detecteren antilichamen die je bindt op het te onderzoeken weefsel allemaal een verschillend labeltje te geven, kun je die zichtbaar maken met MS-imaging. En dat niet alleen, maar je kunt ook nog uitspraken doen over de lokalisatie van ieder antilichaam. “De combinatie van de specificiteit van immunologie met een snelle en specifieke detectiemethode maakt dat je –theoretisch gezien– veel meer markers in één test zou kunnen gebruiken. In de literatuur wordt al gesproken over 32 verschillende, en dat gaan wij ook proberen. De uitdaging ligt hierbij in eerste instantie bij M’hamed en zijn collega’s, want dat brengt nogal wat praktisch ontwikkelingswerk met zich mee. Maar ook bij Steven en andere artsen, want zo’n test moet natuurlijk wel klinische relevantie hebben: je gaat niet op 32 eiwitten analyseren, als je op basis van twee eiwitten dezelfde informatie krijgt. Maar gezien de ontwikkelingen in alleen al de tumordiagnostiek heb ik daar alle vertrouwen in”, aldus Ron Heeren.

 

Moleculair opereren

“MS-imaging is bij uitstek de techniek om de enorme moleculaire en fenotypische heterogeniteit van tumoren en hun metabolisme in kaart te brengen en te vertalen naar diagnostiek en patiëntspecifieke therapie”, zegt Steven Olde Damink. “Maar ook tijdens het opereren kan ik gebruik gaan maken van de informatie uit de massaspectrometer. Met de onlangs geplaatste rapiFlex MALDI tissuetyper van Bruker kunnen we binnen een half uur een coupe van 4 cm2 analyseren en de resultaten terugkoppelen aan de chirurg. Veel sneller dan met een vriescoupe van de patholoog-anatoom, maar ook nog eens met een gevoeligheid en specificiteit die je bij een vriescoupe alleen kunt bereiken met immunohistochemie, maar daar heb je de tijd niet voor. Sommige operaties zijn zo lastig, dat je ze maar één keer kunt doen, dat het meteen goed moet zijn. Bijvoorbeeld bij leveroperaties, waar het door de weefselstructuur sowieso al heel moeilijk is om het tumorweefsel te zien. Je wilt bij het weghalen van de tumor zoveel mogelijk gezond weefsel overhouden, maar daarin ook weer niet zover gaan dat je in de tumor zelf gaat snijden. En bij galwegtumoren moet je weer een stukje darm aanhechten. Het is dan enorm belangrijk om te weten dat het stukje galweg dat je hebt doorgesneden absoluut vrij is van tumorweefsel.” Moleculair opereren is in de ogen van Steven Olde Damink het fundament onder de OK van de toekomst, die als het aan hem ligt binnen drie jaar, maar hoogstwaarschijnlijk nog eerder, werkelijkheid zal zijn. “Operatiekamers die nu dat stempel krijgen zijn hybride kamers waarbij de interventieradioloog meedoet met technieken als MRI. Maar er is er nog geen enkele die gebruik maakt van moleculaire informatie die je tijdens de operatie kunt krijgen of waar je tegelijkertijd aanpalend bij pathologie of op het lab die analyse kunt doen van de vriescoupe. Die mogelijkheden liggen hier dankzij de unieke samenwerking met M4I voor het grijpen. En dan hebben we het niet alleen over een 3D-snapshot van de metabolieten, maar ook over een net zo specifiek beeld van de dynamiek van de pathways, 4D-mapping.”

 

Big data

En daar zal het volgens Steven Olde Damink niet bij blijven. “Met de miljoenen pieken die je per tumor verzamelt (miljarden als je de kinetiek meeneemt) kan de bio-informaticus aan de slag om de verschillende tumor fenotypes te karakteriseren. Door die gegevens te koppelen aan informatie over je cohort, zoals behandeldata, survival en tumor survival, kun je profielen destilleren: wie doet het goed, wie niet?; welke therapie slaat bij welk profiel aan? Met die informatie kun je niet alleen de behandeling optimaliseren, op maat maken, maar kun je op den duur ook meer prognostisch aan de slag. Misschien wel zo goed dat we op den duur helemaal niet meer hoeven te opereren...”

 

Greiner Bio-One

www.gbo.com

 

M4I

www.maastrichtuniversity.nl

M’hamed Hadfoune is supervisor van het immunologisch lab, dat in de nieuwe structuur in één grote ruimte met het metabole lab van heelkunde en het MS-imaging lab is ondergebracht.

Steven Olde Damink (links) en Ron Heeren zetten in op de operatiekamer van de toekomst waarbij een grote rol is weggelegd voor de moleculaire informatie die bijna realtime met MS-imaging kan worden verkregen en direct door de chirurg tijdens het opereren kan worden gebruikt. >>

Doorkijkje in het nieuwe immunologische lab van de heelkunde door de open deur naar het metabole lab en achter de gesloten deur het MS-imaging lab van Ron Heeren.