KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 38, MEI 2019

 

Interdisciplinair onderzoek op raakvlak biologie en engineering legt MERLN geen windeieren

Vier jaar na de oprichting werken er inmiddels meer dan honderd onderzoekers bij het Institute for Technology- Inspired Regenerative Medicine (MERLN) in Maastricht. Zij richten zich op het ontwikkelen van nieuwe, baanbrekende technologieën om herstel en regeneratie van weefsels en functionele organen te verbeteren. In een interdisciplinaire mix van bio(technologisch)- en materiaalonderzoek en -engineering richten ze zich onder meer op de ontwikkeling van slimme biomaterialen die het herstel van weefsel door de eigen cellen van de patiënt kunnen triggeren. Post-doc Timo Rademakers is als labmanager van één van de tien laboratoria, onderzoeker en imaging-specialist een typische exponent van de veelzijdigheid van het instituut.

Timo Rademakers bij vier van de tien door PHC geleverde incubatoren, die in het kweeklab staan opgesteld. In de andere laboratoria van het MERLN worden nog meer PHC-incubatoren gebruikt, waaronder een kweekkast voor hypoxie-experimenten. Van die laatste zouden er wel eens meer kunnen gaan komen: recente publicaties wijzen er namelijk op dat veel organen, die aan de hand van organoïden worden nagebootst, in de lichaamsomgeving zuurstofgehaltes van 3-5% hebben; heel wat minder dan de 21% zuurstof die nu standaard wordt gehanteerd bij weefselkweek.

Ben je blij dat je een baan hebt met gratis fitness?’ Het grapje dat Timo Rademakers steevast maakt bij mensen die aan de slag gaan bij het MERLN is ingegeven door de verdeling van de tien laboratoria van het instituut over drie verdiepingen van enkele gebouwen van het MUMC-complex. “Je kunt hier de hele dag in beweging zijn, van het ene naar het andere gebouw, van de ene naar de andere verdieping, over de loopbrug, trap op, trap af. Niet dat iedereen altijd in verschillende laboratoria moet zijn, maar ongemerkt loop (of ren) je op een dag toch heel wat af’, aldus de onderzoeker, labmanager en imaging- specialist, die sinds begin 2017 bij het MERLN werkt. Als labmanager van het algemene laboratorium, het ‘natte lab’, waar de gangbare technieken worden uitgevoerd, zoals PCR’s, ELISA’s, western blots, kleuringen en monsterbewerking, ziet Timo elke nieuwkomer. “In ons laboratorium vindt de verplichte labintroductie plaats, waarbij onder meer alle veiligheidsaspecten worden doorgesproken. Het is belangrijk voor je zelf en voor je collega’s dat je veilig werkt, volgens de regels. Zeker met de vele buitenlandse collega’s, die hier vanuit hun opleiding vaak weer net iets anders mee omgaan, is het zaak dat je wat dat betreft op één lijn zit. Dat lukt overigens prima: vrijwel iedereen slaagt met vlag en wimpel bij de afsluitende quiz, waarin ik test of ze alles hebben begrepen.” Waar het algemene laboratorium potentieel de meeste gebruikers heeft, is het het drukst in het er naast gelegen ML2 kweeklab, ‘het lab van Marloes’ (Marloes Kamphuis is er labmanager). De acht flowkasten zijn bijna altijd bezet en er is een druk verkeer van onderzoekers die microtiterplaten in één van de tien door PHC geleverde incubatoren plaatsen of er weer uithalen. Of ze zetten monsters in één van de -80 °C vriezers, die ook van PHC afkomstig zijn.

Timo Rademakers achter het geautomatiseerde lichtmicroscopiesysteem, dat met een klimaatkast eromheen uitermate geschikt is voor ‘live cell imaging’.

 

Functionele indeling

Het kweeklab en het ‘natte lab’, die zijn gelegen op de vijfde verdieping, zijn net als de acht andere laboratoria toegespitst op bepaalde technieken. De functionele indeling van de in totaal ruim 520 m2 labruimte vormt zo een goede weerspiegeling van de mix aan bio(techno)logisch en materiaalonderzoek en -engineering bij MERLN.

Zo zijn er op de derde verdieping verschillende laboratoria voor chemische synthese, waar wordt gewerkt aan het maken van nieuwe polymeren en (keramische) materialen. In een ander lab wordt het microfluidics werk gedaan, en verder is er een groot fabricagelab waar baanbrekend onderzoek wordt gedaan met bioprinters en 3D-printers. Daar is ook een ISO 7 cleanroom ingericht, waar onder stofvrije omstandigheden, bij een constante temperatuur de uitgedachte productiemethoden in de praktijk worden gebracht. Op de vierde verdieping is een ruimte te vinden waar materialen worden gekarakteriseerd en getest, alsmede het lab voor electrospinning, waar polymere draden worden gemaakt. Het minst zichtbaar is het microscopielab –het enige lab zonder ramen– waar onder meer ‘live cell imaging’ plaatsvindt.

 

Inspirerende kantoortuin

‘Geen eigen bureau, wel alle vrijheid’. Onder dat motto is op de derde verdieping een grote, open, heldere ruimte ingericht waar iedereen zijn plekje kan vinden om resultaten uit te werken, artikelen te schrijven, te overleggen, te mijmeren en wat te eten of te drinken. “Iedereen kan er zijn ding doen zonder elkaar te storen. En als je met iemand wilt overleggen is de drempel heel laag; iedereen is zo aan te schieten. Voor overleg kan je je terugtrekken in speciale meeting rooms of skype rooms, maar je kunt er ook voor kiezen om middenin in de ruimte in een soort van relaxtipi’s, ronde zitjes die zijn omgord door geluiddempende repen stof te gaan zitten. En als je echt geconcentreerd wil werken, kan je je afzonderen op de focusplekken die we in de kantoortuin hebben gemaakt. Het werkt echt heel stimulerend dat je je in zo’n ruimt volledig kan focussen op je eigen, specialistische onderzoek, terwijl je in een handomdraai de aandacht kunt verleggen naar je collega’s, of dat nu voor overleg is of voor een praatje.”

 

Cellen en materialen

Waar je in de wetenschappelijke snelkookpan van de kantoortuin niets van terug ziet is de onderzoeksstructuur van MERLN. Die is gevormd rond twee onderzoekslijnen, met ieder zes PI’s (principal investigators), die een onderzoeksgroep leiden. De ene lijn, CTR (‘complex tissue regeneration’), is vooral gericht op de celbiologische kant, terwijl de andere, IBE (‘instructive biomaterials engineering’), zich met name bezighoudt met materialen. “In de praktijk is het onderzoek van beide takken sterk verweven, wat ook strookt met onze missie, om op basis van technologieën in de breedste zin van het woord nieuwe ontwikkelingen in regeneratieve geneeskunde mogelijk te maken. Dat is uiterst effectief op het snijvlak van de twee onderzoekslijnen, niet in de laatste plaats omdat we werken met een mix van biologen, biotechnologen, scheikundigen, natuurkundigen, werktuigbouwkundigen, bio-informatici, noem maar op, die ieder hun eigen kijk op de materie inbrengen”, vertelt Timo.

IBE richt zich op het ontwikkelen, synthetiseren en fabriceren van slimme biomaterialen, bijvoorbeeld van keramiek, voor regeneratie van weefsel, zoals bind-, bot- en peesweefsel in verschillende organen tot zelfs trommelvlies in het oor. Hierbij gaat veel aandacht naar het zodanig combineren van verschillende materiaalsoorten en productietechnologieën dat die materialen met nauwkeurig gecontroleerde eigenschappen kunnen worden gemaakt. Naast deze meer toegepaste onderzoeksbenadering vindt er bij IBE ook fundamenteel werk plaats, al dan niet in samenwerking met de collega’s van CTR, waarbij wordt geprobeerd de biologische mechanismen achter de interacties van biomaterialen en cellen of weefsels te doorgronden, ook weer met het oog op het ontwerpen en ontwikkelen van nieuwe biomaterialen. Daarbij is veel aandacht voor modelleren: hoe kunnen we uit de data die we genereren celgedrag voorspellen. Ook wordt veel effort gestoken in de ontwikkeling van screeningsplatforms (bijvoorbeeld op basis van microfluidics) om snel en effectief de interactie van nieuwe materialen met de biologische substraten in kaart te kunnen brengen.

Bij het modelleren en screenen is een belangrijke rol weggelegd voor de bio-informatici, die uit de enorme hoeveelheden data relevante informatie en modellen destilleren. Waar je door modelleren al heel veel voorwerk kunt doen, gaan ze bij CTR daadwerkelijk met de cellen aan de slag. Onder de noemer van het ontwerp van complexe weefsels en organen worden geavanceerde macro-, micro- en nanobiofabricagetechnologieën, zoals 3D-bioprinting en electrospinning, ontwikkeld en gecombineerd met fundamentele kennis van biologie en materiaalchemie.

Toepassingen van de hiermee gemaakte celconstructen strekken zich uit van stamcelonderzoek, ontwikkelingsbiologie, kankeronderzoek, farmaceutische of toxicologische screening tot weefselregeneratie en artificiële bio-organen. Naast het onderzoeken van de interactie van cellen met materialen die bij IBE worden ontwikkeld, wordt er veel gewerkt aan sferoïden en organoïden voor tal van orgaanmodelsystemen. Dit zijn vaak zelfassemblerende constructen, waarbij de uitdaging zit in ondermeer het creëren van de optimale groei- en leefomstandigheden voor de cellen.

In het algemene laboratorium worden net als in het aanpalende kweeklab, verschillende -30 °C en -80 °C vriezers van PHC gebruikt voor de opslag van monsters.

 

Embryo’s vanuit stamcellen

Onderzoekers van MERLN haalden vorig jaar wereldwijd het nieuws, omdat zij er in samenwerking met collega’s van het Hubrecht Institute als eerste in waren geslaagd om vanuit muizenstamcellen modelembryo’s te construeren. Hierbij ontwikkelden zij de geschikte omstandigheden om de cellen ertoe aan te zetten zichzelf tot zogenaamde blastoïden, blastocyt-achtige structuren van niet meer dan honderd cellen groot te organiseren. Waar de media-aandacht vooral gericht was op de (nog best wel verre) toekomst van synthetische embryo’s en zelfs het kloneren van mensen, ging het de onderzoekers om de ontwikkeling van een modelsysteem, waarmee fundamenteel onderzoek kan worden gedaan naar de allereerste stadia na de bevruchting. Vanuit een beter begrip van wat er in die eerste levensfase gebeurt, zou je op den duur alternatieven kunnen ontwikkelen voor IVF en zo vrouwen, die moeilijk zwanger kunnen worden, beter kunnen helpen. Vanuit dit van alle emoties ontdane perspectief kijkt ook Timo Rademakers naar dit onderzoek. Nicolas Rivron, eerste auteur van het betreffende Nature-artikel en één van de PI’s bij CTR, is wat dat betreft ‘one of the guys’, die zijn collega’s van het MERLN met zijn groep naar deze baanbrekende resultaten hebben zien toewerken. Soortgelijke processen zijn er ook bij andere groepen en onderzoekers, die ook flinke stappen zetten. Die zullen niet allemaal dit jaar nog het achtuurjournaal halen. In de eerste plaats omdat die mediagenieke ethische kant er niet bovenop ligt, maar ook omdat heel veel publicaties nog in het vat zitten. “Het MERLN is opgericht in 2014 en is daarmee nog een relatief jong instituut. De eerste promotie-onderzoeken zijn net afgerond. En bedenk dat veel projecten zich niet laten vangen in een tijdsbestek van vier jaar. Het vliegwiel van de onderzoeksmachine is wat dat betreft nog maar net in gang getrokken!”

 

Multifunctioneel radertje

Als labmanager, onderzoeker en microscopiespecialist ervaart Timo Rademakers dagelijks de dynamiek van de onderzoeksmachine. “Veel van het werk kan ik inplannen, maar er zijn ook dingen waarop je direct actie moet ondernemen, bijvoorbeeld als er een vriezer in alarm staat. En ik word regelmatig staande gehouden om vragen te beantwoorden. In de functie van labmanager zien mensen je toch een beetje als een lopende Wikipedia. Die vragen variëren, van waar staat potje X tot hoe moet ik dit experiment aanpakken? Die laatste kan ik natuurlijk niet allemaal beantwoorden, zeker vanwege de breedte van het onderzoek.” Timo participeert als post-doc in twee onderzoeken. De eerste is over de zelforganisatie van cellen, hoe ze zich kunnen vormen tot een weefsel. Het betreft in dit geval de eilandjes van Langerhans in de alvleesklier. Doel is om tot een model te komen voor onderzoek naar diabetes type I. Het andere project, over nierorganoïden, valt binnen het Crossing Borders initiatief RegMedXB, een publiek-private samenwerking tussen vier universiteiten, zestien bedrijven, vier gezondheidsfondsen en verschillende regionale en nationale overheden, die moet uitgroeien tot een internationaal leidend instituut voor regeneratieve geneeskunde voor chronische aandoeningen.

 

Imaging

Rode draad in Timo’s wetenschappelijke carrière bij onder meer Pathologie in het MUMC en Sanquin is lichtmicroscopie, met name ‘live cell imaging’. Zijn expertise over hoe je een monster prepareert zonder dat de cellen doodgaan en ze daarbij ook nog eens goed kan zien was zeer welkom bij MERLN, dat in de begintijd vooral mensen met een technische engineering achtergrond in dienst had. “De 3D-structuren als organoïden en sferoïden zijn dan toch wel een andere tak van sport als de coupes die je gewend bent vanuit een patholologie-afdeling of preparaten van gekweekte cellen van één laag dik op een glazen bodem. Daar ontwikkel je handigheid in. Bovendien zijn we erin geslaagd om door het maken van zogenaamde reporters deze techniek nog waardevoller te maken voor onze onderzoeken. Wil je bijvoorbeeld naar gen X kijken, dan maak je een construct met gen X en daarachter plak je een fluorescente verbinding of de code voor een fluorescerend eiwit en zodra die wordt afgeschreven krijgen de cellen ook een bepaalde kleur. Dat is heel handig als je wilt kijken naar specifieke celtypes binnen een sferoïde of organoïde. Dan hoef je ze namelijk niet te fixeren om ze op een klassieke wijze te kleuren. Beide benaderingen leveren trouwens schitterende plaatjes op. Dat spreekt mij ook zo aan in lichtmicroscopie: je hebt meteen een beeld van de structuur. Uit een western blot kan je ook veel afleiden, maar je zit wel naar een uitgesmeerd bandje op een gel te kijken.”

 

INFORMATIE

PHC Europe

www.phchd.com/eu/biomedical

 

MERLN

www.merlninstitute.nl

3D-bioprinting is een van de innovatieve

tools die wordt gebruikt bij het onderzoek

naar herstel en regeneratie van weefsels en

functionele organen. Bij MERLN hebben ze

er zelfs een apart laboratorium voor.