Chiptechnologie zal de komende jaren zorgen voor een indrukwekkende transformatie van de gezondheidszorg, met een gepersonaliseerde en preventieve aanpak, continue monitoring, efficiënte diagnoses en innovatieve behandelingen. Een hele resem technologische toepassingen zullen de grenzen verleggen van wat mogelijk wordt in de medische wereld. Hier volgt slechts een greep uit het uitdijende aanbod.
Orgaan-op-chip als superieur testlabo
Waarom wordt iemand ziek? En welke behandeling helpt tegen die ziekte? Om dat te achterhalen, maken onderzoekers gebruik van verschillende modeltechnieken: in vitro (proefbuismodellen), in vivo (bijvoorbeeld knaagdiermodellen) of in silico (computermodellen). Vaak schieten deze modellen tekort om de complexiteit van het menselijke lichaam te vatten. Bovendien kost het ontwikkelen van medicijnen op deze manier veel tijd en geld. Met de opkomst van gepersonaliseerde behandelingen wordt dat een probleem: een medicijn moet tijdig klaar zijn, het moet veilig zijn, en het moet bovendien betaalbaar zijn.
Hoe zouden de tests van de toekomst er dan moeten uitzien? Orgaan-op-chiptechnologie biedt veelbelovende antwoorden. Op een chipplaat van slechts 1 mm2 kunnen duizenden elektroden worden geplaatst om signalen van en naar een cel te sturen. Hierop kunnen menselijke stamcellen bevestigd en geprogrammeerd worden tot cellen naar keuze, zoals lever- of hersencellen. Door netwerken van deze cellen te bouwen, kunnen we een orgaan, zoals de hersenen, nabootsen en tegelijkertijd signalen daarvan uitlezen. AI en rekenkracht zullen een steeds grotere rol spelen in het ontwerp en de productie van geneesmiddelen.
Dankzij dit sterk geautomatiseerd proces kunnen een ongekend aantal tests gelijktijdig worden uitgevoerd op een geminiaturiseerd apparaat. Sneller en efficiënter onderzoek en ontwikkeling in de farmaceutische sector dus, met significant minder en op termijn zelfs zonder dierproeven. Door patiënt-specifieke cellen op de chip te plaatsen (‘brain-on-a-chip’, ‘heart-on-a-chip’), kunnen unieke kenmerken van bijvoorbeeld de ziekte van Alzheimer worden ontcijferd. Diezelfde chip kan dan weer gebruikt worden om op maat gemaakte behandelingen te testen, zoals de impact van een kankerbehandeling op het hart van een individuele patiënt.
Naast een versnelling van farmaceutisch onderzoek, kan de orgaan-op-chiptechnologie informatie opleveren over de onderliggende cellulaire afwijkingen die gepaard gaan met ziektes, op een manier die veel verder gaat dan wat conventionele modellen kunnen doen. Dit is een baanbrekende stap voorwaarts in het begrijpen en behandelen van complexe menselijke ziektes.
Orgaan-op-chiptechnologie zal een geweldige aanvulling vormen op de huidige klinische tests. Als we de kans op slagen van een medicijn met een paar procentpunten kunnen verhogen, heeft dat een onmiddellijke impact op de ontwikkelingskosten van nieuwe medicijnen en zal dat op termijn de zorgfactuur drukken.
De hersenen uitlezen
Stel je een hyperefficiënte draagbare supercomputer voor, met 86 miljard schakelaars. Dat is precies wat onze hersenen zijn – een wonder van biologische techniek verpakt in een schedel, zonder blauwdruk.
We kunnen vandaag een glimp opvangen van wat er zich binnenin onze schedel afspeelt via o.a. PET- en MR-scans, maar veel vragen over hoe onze hersenen precies functioneren blijven onbeantwoord.
Om de interacties tussen hersencellen, zoals neuronen, te kunnen bestuderen, moeten we metingen rechtstreeks binnenin de hersenen uitvoeren. Op chiptechnologie gebaseerde innovaties zoals de neuroprobes bieden hiervoor een oplossing. Deze naaldvormige hersenimplantaten kunnen neuronactiviteit gedetailleerd meten en bieden een diepgaand inzicht in hun werking.
De naaldvormige schachten van enkele micrometers groot bevatten tot 10.000 registratie-elektrodes en kunnen tot 15 cm diep in de hersenen worden ingebracht. Ze verbruiken ook amper stroom, om zo opwarming van het hersenweefsel tot een minimum te beperken.
Meer dan 900 laboratoria wereldwijd voeren al onderzoek uit met deze technologie, en de eerste succesvolle klinische testen zijn een feit. Mogelijke toepassingen variëren van diepgaand onderzoek naar hersenaandoeningen tot de nauwkeurige plaatsing van stimulatoren voor patiënten met Parkinson of corrigerende chirurgie voor epilepsie.
Op termijn kan een brein-computerinterface zorgen voor draadloos onderzoek. Het grote voordeel? Onderzoek kan dan ook continu gebeuren in een meer natuurlijke setting buiten het labo.
Inslikbare sensoren reizen door de darmen
Wie ooit een endoscopie heeft moeten ondergaan, kan erover meespreken: aangenaam is anders. Maar door de ligging en anatomie van ons maag-darmkanaal, is het orgaan moeilijk te onderzoeken. Diagnoses worden meestal gesteld via zo’n endoscopie of via stalen van feces. Bovendien geven zulke diagnoses slechts een momentopname. Tot nu was het niet mogelijk om rechtsreeks in de darm te meten of metingen in real time uit te voeren.
Een inslikbare sensorpil boordevol chips zou dat weleens kunnen veranderen.
Deze pil maakt het mogelijk om tijdens het traject van de mond naar de endeldarm elke tien seconden een meting uit te voeren. Dankzij die grote hoeveelheid informatie kunnen artsen medicatie en behandelingen nauwkeuriger afstemmen. De pil kan daarnaast ook signalen uitsturen en zelfs spiercontracties begeleiden.
Waarom deze technologie de gezondheidszorg zal transformeren? Spijsverteringsaandoeningen met vage klachten kunnen preciezer worden gediagnosticeerd en beter worden gemonitord. Het effect van opgestarte behandelingen kan ook nauwkeuriger worden opgevolgd. Anderzijds biedt de inslikbare sensorpil ook mogelijkheden voor een meer preventieve gezondheidszorg. Zo zou je regelmatig een gedetailleerd beeld kunnen krijgen van de opname van voedingsstoffen door het lichaam. Het verband tussen wat we eten, onze levensstijl en onze gezondheid kan hierdoor nog beter in kaart worden gebracht. Gekoppeld aan een draagbaar apparaat, kan deze technologie ooit zelfs instant tips op maat geven voor het dieet van die persoon.
Implanteerbare zenuwstimulatoren
De meeste medicijnen die vandaag op de markt zijn, hebben hun limieten: denk maar aan ongewenste bijwerkingen of het gegeven dat sommige producten slechts werken voor een bepaald deel van de patiënten. Wat als we niet langer de ziekte aanpakken door medicijnen te slikken, maar door de zenuwbanen naar de organen rechtstreeks te stimuleren? Op die manier zou een therapie continu geregeld en bijgeregeld kunnen worden zonder medicijnen. De techniek zou vooral haar nut kunnen bewijzen voor aandoeningen zoals epilepsie, chronische pijn, depressie en inflammatoire darmziekte.
Hoe werkt het? Onze hersenen zijn verbonden met organen zoals het hart, de longen en de darmen via de neurale vezels van ons zenuwstelsel. Door de elektrische activiteiten in die vezels uit te lezen en gericht te stimuleren met implanteerbare apparaatjes, ontstaan bio-elektronische medicijnen. In tegenstelling tot conventionele medicijnen kunnen ze eenvoudig worden in- en uitgeschakeld.
De implantaten die hiervoor zorgen moeten klein en uitermate gevoelig zijn (waardoor ze ook nauwkeurig zwakke signalen kunnen oppikken), ze moeten weinig energie vergen en liefst batterij-vrij zijn. Bovendien moet het risico op afstootreacties door het lichaam zo klein mogelijk zijn. Een hele resem technische uitdagingen, waar chiptechnologie een elementaire rol in speelt.
Een intrigerende toepassing van zenuwstimulatie is te vinden in kunstledematen. Door de motorische zenuwen te stimuleren, die verantwoordelijk zijn voor spiercontrole, en de sensorische zenuwen, die verantwoordelijk zijn voor tast, temperatuur en pijn, is het mogelijk om bijvoorbeeld een artificiële hand te maken die veel meer voelt dan een eigen biologische hand omdat de controle en tactiele feedback beter is. Door zenuwen uit te lezen en te communiceren tussen hersenen en kunstorgaan, bouwt zo’n implantaat een brug die vergelijkbaar is met de natuurlijke communicatie tussen een lichaamseigen orgaan en onze hersenen.
Hyperspectrale superogen in het operatiekwartier
Onze menselijke ogen zijn niet geoptimaliseerd om fijne details op macroscopisch niveau waar te nemen of door organen heen te kijken.
Voor medische diagnoses of chirurgische ingrepen vertrouwen we daarom op hulpmiddelen die ons een verbeterd zicht geven, zoals contraststoffen, microscopen en medische beeldvorming. Deze technieken zijn echter niet perfect en ze vereisen ervaren personeel voor interpretatie.
Wat als we een chirurg betere ‘ogen’ kunnen geven in de operatiekamer?
Bij hyperspectrale beeldvorming wordt weefsel belicht, waarbij het weerkaatste licht wordt opgevangen in vele smalle, spectrale banden. Gezond en ziek weefsel, dat er voor onze ogen identiek uitziet, kan dankzij hun ‘spectrale handtekening’ toch worden geïdentificeerd, bijvoorbeeld op basis van een verschillend zuurstofgehalte. Deze niet-invasieve technologie biedt enorme voordelen, maar had tot nu toe een hoog prijskaartje.
Onderzoek van imec maakt het mogelijk om zulke hyperspectrale filters op een beeldsensorchip te integreren. Het maakt betaalbare massaproductie mogelijk, op een manier die vergelijkbaar is met gewone computerchips. Bovendien zijn de sensoren heel compact, waardoor ze kunnen worden geïncorporeerd in kleine chirurgische microscopen. Gekoppeld aan rekenkracht kunnen ze ‘superogen’ bieden aan chirurgen tijdens operaties, om zo tumorweefsel in real time te detecteren. De eerste testen met patiënten aan UZ Leuven toonden al veelbelovende resultaten, waarbij gerichter kankerweefsel in de hersenen kon worden verwijderd.
Deze niet-invasieve technologie biedt niet alleen voordelen bij risicovolle operaties, maar ook bij het opvolgen van wondgenezing. Door het gezichtsveld van deze camera’s nog verder uit te breiden, zelfs tot infrarood licht, kunnen er nog meer toepassingen het licht zien voor een nauwkeurigere gezondheidszorg.
Testlabo in zakformaat
Kleiner, sneller en goedkoper te produceren: dat is hét leitmotiv in de chipwereld. In de toekomst slagen we erin om ook de werking van medische laboratoria te optimaliseren via die wetten van de chiptechnologie. ‘Lab-on-chip' verwijst naar een chip waarop de werking van diagnostische toestellen geënt kan worden. Meestal gebeurt dat op basis van microfluidica: minuscule hoeveelheden vloeistof die aangebracht worden in de chip, waarop vervolgens heel nauwkeurig labo-onderzoek mogelijk is, met de hulp van sensoren en actuatoren: van DNA-analyses en geavanceerde diagnostiek tot gepersonaliseerde therapieën.
Het grote voordeel? Dure, vaak moeilijk verplaatsbare apparaten uit een labo worden vervangen door kleine, draagbare toestelletjes die je kan inzetten waar je ze nodig hebt – en die veel sneller en goedkoper resultaat kunnen opleveren. Een bloedstaal naar een labo sturen, om het daar onder de microscoop te laten onderzoeken, kost veel tijd en middelen. Chiptechnologie laat toe om dat proces veel eenvoudiger en goedkoper te doorlopen.
Met lab-on-chip zou het bijvoorbeeld mogelijk worden om veel sneller, accuraat en op locatie mensen te testen bij een besmettelijke ziekte.
Gepersonaliseerde therapieën
Twintig jaar nadat we het menselijk genoom in kaart gebracht hebben, is de technologie rijp om de veel complexere code van het menselijk ‘proteoom’ te kraken, de verzameling van alle eiwitten – zeg maar bouwstenen – in ons lichaam. Dat heeft alles te maken met de ontwikkelingen in chiptechnologie die toelaten om cellen op atomaire schaal te meten, in combinatie met de fenomenale toename van rekenkracht en artificiële intelligentie. Ook de andere biologische codes van ons lichaam, zoals het metaboloom en transcriptoom, zullen we digitaal kunnen uitlezen. Het resultaat? Een volledig digitaal verslag van het menselijk lichaam dus. En dat zal een ongezien gedetailleerde inkijk geven in onze gezondheid, en een beter begrip van de foutjes in onze codes die verantwoordelijk zijn voor ziektes als alzheimer, cardiovasculaire aandoeningen of kanker.
Tegelijkertijd maakt synthetische biologie het mogelijk om menselijke cellen te gaan herprogrammeren (de zogeheten cel- en gentherapieën). Een vroeg voorbeeld is CAR-T, een lichaamseigen cel die we zo herprogrammeren dat ze kankercellen gaat aanvallen. Daar zullen we nog veel meer toepassingen van zien.
Machine learning en AI zijn noodzakelijk om dit soort therapieën snel en betaalbaar te kunnen aanleveren. We hebben immers digitale ‘helpende handen’ nodig om alle vrijgekomen data te kunnen omzetten in nuttige inzichten.
