KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 30, SEPTEMBER 2016

Gericht celgedrag sturen met dedicated oppervlaktestructuren

Het sinds een jaar in Maastricht gevestigde Materiomics heeft met de zelf ontwikkelde TopoChip een screeningstool in handen waarmee optimale oppervlaktestructuren kunnen worden gevonden voor de hechting en groei van specifieke cellen. Dit opent de weg naar een sterk verbeterde functionaliteit van allerhande medische hulpmiddelen en kweekplastic. Na jarenlang onderzoek lonkt het perspectief van ‘serious business’.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bernke Papenburg, COO van het in 2009 opgerichte Materiomics: “ Met behulp van de TopoChip kunnen we een oppervlaktestructuur vinden die significant waarde toevoegt aan een product van een klant.”

Vraag aan honderd moleculair biologen of je door te spelen met de chemische samenstelling van de coating op een kweekplaatje het celkweekresultaat kunt beïnvloeden, en je zult honderd keer een volmondig ja horen. Vraag aan diezelfde personen of je dergelijke effecten kunt bereiken door te variëren in de structuur van het materiaaloppervlak waar de cellen aan hechten, dan zal het wat stiller in de zaal zijn. Zeker als je die vraag zo’n tien jaar geleden had gesteld, toen het screenen van oppervlaktes voor dergelijke doeleinden nog in de kinderschoenen stond. Bij de Universiteit Twente, bij de toenmalige vakgroep Tissue Regeneration van Clemens van Bitterswijk, werkte rond 2005 Bernke Papenburg naast haar PhD-onderzoek aan de eerste versie van de TopoChip, een tool om gestructureerd te screenen op oppervlaktestructuren.

“Het gros van de cellen is hechtend. Als je een oppervlakte aanbiedt zullen ze zich daaraan hechten en een laag vormen. Door in dat oppervlak een structuur aan te brengen, vormen de cellen zich naar die structuur. We weten dat de vorm van de cel heel erg belangrijk is voor het gedrag van de cel. Door variatie in de structuur van het oppervlak aan te brengen zou je dus bepaalde effecten bij cellen teweeg kunnen brengen. We weten echter niet met welke vorm je welk effect krijgt, dus was het idee om een chip te maken waarin je heel veel verschillende structuurtjes maakt. Analoog aan een bio-assay kun je dan al die structuren op de chip screenen met een assay voor de werking waarnaar je op zoek bent. Daar komen dan de voor dat specifieke effect beste structuren uit. Die kennis kun je vervolgens toepassen op materialen, bijvoorbeeld om de hechting van cellen aan een titanium kunstheup te verbeteren of bepaalde cellen in kweekplastic beter te laten groeien, langer in leven te houden”, legt de onderzoekster uit die inmiddels operationeel directeur is van Materiomics, het bedrijf dat met behulp van de TopoChip voor een groeiend aantal bedrijven op zoek is naar de optimale oppervlaktestructuur voor hun toepassing.

 

Multidisciplinair

De TopoChip is een schoolvoorbeeld van multidisciplinair ontwerp, met als hoofdmoten hoge precisie productie, engineering, bioinformatica en celbiologie. Met de chip kunnen 2176 verschillende oppervlaktestructuren worden onderzocht. Binnen elk van die units, die 300 μm bij 300 μm groot zijn, is een herhalend patroon van 100-900 keer hetzelfde figuurtje, afhankelijk van zijn grootte.

“Elk figuurtje, we noemen dat een topografie, is opgebouwd met elementen vanuit de drie basisvormen (cirkel, driehoek en rechthoek) die elkaar kunnen overlappen. Om uit te dokteren welke topografieën het meest geschikt zijn, hebben we samen met wiskundigen een algoritme ontwikkeld waarin alle parameters zijn meegenomen waarvan we weten dat die cellen kunnen beïnvloeden. Die exercitie heeft geleid tot een bibliotheek van meer dan 150 miljoen topografieën, die je natuurlijk nooit allemaal kunt testen. Dus hebben we een representatieve selectie gemaakt, waarbij je met de uiteindelijk 2176 verschillende topografieën een zo divers mogelijk pallet aan mogelijkheden hebt”, vertelt Bernke Papenburg. Vanuit die selectie zijn protocollen gemaakt om de oppervlaktes nauwgezet in mallen te etsen. Dat hoge precisie engineering werk is uitgevoerd in de cleanroom van het Mesa+ lab, tegenwoordig het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie. Die mallen worden op hun beurt weer gebruikt voor het imprinten van de topografieën in het te testen materiaal.

“We zorgen er hierbij voor dat we de TopoChip altijd uit hetzelfde materiaal maken waarop we het uiteindelijk willen aanbrengen. Dus, als je het op een titanium kunstheup wilt aanbrengen, testen we met titanium; moet het op een zacht-elastische rubberachtige katheter, dan maken we de TopoChip van dat materiaal.”

 

Verhuizen

Waar de nabijheid van een cleanroomfaciliteit een absolute pré is voor Materiomics, is het bedrijf een jaar geleden toch verhuisd, naar Maastricht. “De behuizing op de campus begon te krap voor ons groeiende bedrijf te worden, dus moesten we sowieso uitzien naar een andere plek. Maastricht ligt dan in eerste instantie niet voor de hand, ware het niet dat de groep Tissue Regeneration waar we vanaf het begin nauw mee samenwerkten in 2014 is verhuisd naar Maastricht. Onze medeoprichter Clemens van Blitterswijk is daar aangesteld als een van de drie universiteitshoogleraren en heeft er het onderzoeksinstituut MERLN (Institute for Technology-Inspired Regenerative Medicine) opgericht. In dat instituut heeft ook onze ‘chief scientific officer’ Jan de Boer een leerstoel. We zijn nu gevestigd in het incubatorgebouw aan de Oxfordlaan, dus in een niet-academische setting, maar hebben wel de universiteit op loopafstand. Letterlijk, want slechts een loopbrug scheidt ons van de laboratoria van het MERLN. Hierdoor kunnen we optimaal samenwerken en kennis uitwisselen, de onderzoekers vanuit een fundamenteel perspectief en wij meer pragmatisch. Overigens vindt de productie van de TopoChip nog steeds plaats in Twente, waar een engineer van ons het hoge-precisie fabricagewerk voor haar rekening neemt”, aldus Bernke Papenburg.

 

Gouden handjes

 

 

 

 

 

 

Bij het toepassen van de TopoChip voor het selecteren van de optimale topografie voor een bepaalde applicatie komt veel moleculair biologische expertise kijken. “Allereerst moet je een geschikt assay ontwikkelen waarmee je de specifieke vraag kunt beantwoorden. Maar minstens zo belangrijk is de uitvoering, die nauwkeurig en snel moet zijn. Bijvoorbeeld het regelmatig aanbrengen van een laagje cellen op het oppervlak van de chip is absoluut niet triviaal. Daar heb je mensen met gouden handjes voor nodig”, zegt Bernke Papenburg. Die gouden handjes behoren in dit geval toe aan Sandra Claessen, die inmiddels een jaar bij Materiomics werkt. Daarvoor was ze bijna vijftien jaar onderzoeksanalist op het moleculaire laboratorium van de Universiteit Maastricht. Bij MERLN, aan dezelfde universiteit, voert ze nu de assay’s uit aan een labtafel die voor Materiomics is ingeruimd. Dit doet ze met de voor haar vertrouwde pipetten van Gilson.

“Aanvankelijk gebruikten ze bij Materiomics pipetten van een andere leverancier. Die voldeden in mijn ogen niet om de gewenste nauwkeurigheid en snelheid te behalen. Met name de repeteer pipet, waarmee ik nu heel veel tijd bespaar, miste ik in dat opzicht. Ik heb dat aangekaart, waarop direct is geïnvesteerd in een set Gilson pipetten”, vertelt Sandra Claessen.

 

Dagen rekenen

Een ander huzarenstukje is de analyse van de microscopische imaging beelden van de assay’s. Daarmee is fulltime een bio-informaticus bezig op een speciale server, die ondanks de hoge processorsnelheden en grote geheugen toch nog een kleine twee weken zoet is met het analyseren van één screening, waar terabytes aan data mee zijn gemoeid. Screening vindt plaats op minimaal tien chips, waarbij op elke chip elke topografie twee keer terug te vinden is, zodat je ook lokale effecten kunt uitsluiten. Op die minimaal twintig assay’s per topografie wordt statistiek losgelaten, waarbij consequent scoren de belangrijkste selectiefactor is. Het gemiddelde kan goed zijn, maar als er veel variatie in zit valt die af. Het unieke oppervlak dat op basis van die rekenexercitie is geselecteerd wordt vervolgens gevalideerd op een groter, well-plaat formaat, waarbij je in één keer naar duizenden cellen kijkt in plaats van de circa 30 tot 50 per unit. Loopt alles nog steeds zoals gewenst, dan volgt nog een secundaire screening. Hierbij wordt het geselecteerde oppervlak getest onder andere omstandigheden (bijvoorbeeld andere cellen, andere materialen, andere condities, andere markers, andere analysemethoden). Die resultaten kunnen het initiële screening bevestigen of tot fine-tuning van het protocol leiden. Op dat moment is er sprake van een echte hit en staat de weg vrij naar implementatie in een klantproduct.

 

 

 

 

 

 

Afbakenen

Materiomics heeft momenteel met verschillende bedrijven samenwerkingsverbanden lopen, waarbij ze voor een aantal topografieën al ver in het validatieproces zitten en bezig zijn met het opzetten van patenten. Eentje, over botfixatie, is inmiddels ingediend. “Wij hebben laten zien, in een diermodel gevalideerd, dat onze topografieën leiden tot een veel sterkere hechting dan wanneer je die niet hebt. Daar zit wel een factor drie verschil tussen, en dat verschil zit hem puur in de topografie omdat je nieuwe botformatie triggert om daarmee het implantaat sneller en beter te laten hechten”, vertelt Bernke Papenburg. Ook het kweken van cellen kan flink worden verbeterd. Zo kunnen levercellen, die veel gebruikt worden voor metabolisme- en tox-testen in de farmaceutische industrie, op dit moment maar acht dagen in leven worden gehouden.

“Maar eigenlijk wil je veel langer kunnen testen. We hebben nu een oppervlak in ontwikkeling waarmee dat inderdaad mogelijk is.” De mogelijkheden van deze jonge technologie lijken eindeloos en dwingen tot keuzes maken, iets waar Bernke Papenburg zich als geen ander bewust van is. “Je kunt niet voor ieder proefballonnetje zo’n uitgebreid selectie- en validatieproces in gang zetten. We besteden dan ook bij het kiezen van onze projecten altijd veel aandacht aan stap nul: voordat we ook maar iets doen het echte probleem en de aanpak in kaart brengen: waarom gaan we wat doen? We willen met behulp van de TopoChip een oppervlaktestructuur vinden die significant waarde toevoegt aan een product van een klant. Dat kan een spectaculaire verbetering zijn, zoals bij de botfixatie of iets wat tot nu helemaal niet kan, zoals het meer dan twee weken laten groeien van levercellen. Onze tool is niet het doel, maar het middel om een implantaat een betere interactie te laten hebben met het lichaam, of een kweekplaat een beter systeem te laten zijn voor het kweken van cellen. Wij zijn geen specialist in het maken van stents of kunstheupen –en dat willen we ook niet worden–, maar wel in het aanbrengen van topografieën op het oppervlak van die devices. Wij kunnen klanten ook helpen met de vertaling naar het productieproces, hoe je kosteneffectief en kwalitatief goed dat oppervlak op het device kunt aanbrengen, ook als het gaat om een highvolume, low-cost productieproces. Maar verder dan dat zullen we niet gaan.”

 

Kansrijk

Bernke Papenburg voorspelt dat al over een jaar of twee, drie de eerste producten met functionele oppervlaktestructuren op de markt kunnen komen. Daarbij denkt ze in eerste instantie aan kweekplastic. “Dergelijke producten zijn relatief gemakkelijk op de markt te brengen omdat je niet, zoals bij medische devices, een uitgebreide toelatingsprocedure door hoeft en moet voldoen aan talloze regels. Bovendien hoef je geen vertaalslag te maken naar in vivo. De voordelen die wij nu in vitro laten zien, zijn direct toepasbaar in de producten van de klanten. Door een betere celhechting kunnen zij hun systemen functioneler maken, omdat je bijvoorbeeld coatings kunt weglaten, langer kunt kweken onder betere condities. Bijkomend voordeel is dat gebruikers hun protocollen nauwelijks hoeven te veranderen. Je hoeft geen ander medium te pakken, alleen leven je cellen drie keer zo lang, waardoor je je eindpunt naar achteren kunt leggen. En o ja, je hoeft ook geen coating meer aan te brengen. Daar zullen weinig mensen rouwig om zijn...”

 

Gilson International

www.gilson.com

 

Materiomics

www.materiomics.com

Op het oog kun je zien welke topografieën in dit assay een gunstige uitwerking hebben op de functionaliteit. De weg naar een echte hit vergt nog een uitgebreid traject van data-analyse en validatie.

Sandra Claessen is bij Materiomics een belangrijke schakel in het selectieproces met de TopoChip en de validatie ervan. Voor het nauwkeurig en snel uitvoeren van een grote diversiteit aan assay’s zweert ze bij pipetten van Gilson.

AGENDA

KOOPJESHOEK