Hoe chiptechnologie hersenziektes kan ontcijferen
Onze hersenen bepalen ons doen en laten. Ze zijn een kleine, maar zeer gesofisticeerde machine die niet meer energie verbruikt dan een 15W lampje. De bouwstenen zijn neuronen of hersencellen die informatie vergaren van de buitenwereld en deze verwerken of doorgeven via elektrische signalen. Het brein is doorgaans een goed geoliede machine, maar soms hapert er wat aan en doen zich hersenziekten voor. De ziekte van Parkinson, bijvoorbeeld, wordt gekenmerkt door het afsterven van neuronen in bepaalde hersengebieden. Ze leidt tot aantasting van beweging, spraak en geheugen. Jammer genoeg is de ziekte van Parkinson nog steeds ongeneeslijk en onomkeerbaar. De zoektocht naar effectieve therapieën gaat traag omdat we nog niet goed weten hoe de ziekte juist ontstaat. Om een antwoord te vinden op alle openstaande vragen hebben we nood aan modellen in een labo die de ziekte kunnen nabootsen. Het is echter nog steeds heel moeilijk om een goed weefsel-, cel- of diermodel te vinden dat alle symptomen en mechanismen imiteert.
Mission Lucidity
Het hersen-op-chip onderzoek met de imec MEA kadert in het Mission Lucidity project. Mission Lucidity is een 10-jarige samenwerking tussen imec, KU Leuven, UZ Leuven en VIB. Het project brengt partners samen met expertise in nanotechnologie, biomedisch onderzoek en klinische zorg - precies het soort unieke interdisciplinaire ecosysteem dat nodig is voor wetenschappelijke en medische doorbraken in dit gebied. In het najaar van 2018 werden de inspanningen van het team beloond met de prestigieuze Collaborative Science Award van het Chan Zuckerberg Initiative (CZI) voor het hersen-op-chip onderdeel en een uitnodiging om deel te nemen aan het Neurodegeneration Challenge Network dat inzicht wil krijgen in neurodegeneratieve ziekten.
Het hersen-op-chip onderzoek over het verslaan van de ziekte van Parkinson, is momenteel het verst gevorderd. Mission Lucidity heeft echter meerdere projecten in de pijplijn die zich richten op andere neurodegeneratieve ziekten en technologieën:
- TRIAGE: Voor dit project ontwikkelen onderzoekers een chip als screeningsinstrument om risicoprofielen voor de ziekte van Alzheimer (AD) te beoordelen. Dit onderzoek zal helpen bij het identificeren van mensen die risico's lopen en bij het definiëren van patiëntensubgroepen die baat kunnen hebben bij op-maat-gemaakte behandelingen. Het project bevindt zich nog in een eerste fase waarin het verband tussen risicogenen, immunologie en AD onderzocht wordt. Technologische ontwikkelingen met betrekking tot imec's MEA zijn gepland voor een volgende fase.
- ADMIRE: Onderzoekers zullen met een geavanceerde hyperspectrale camera het netvlies –het meest toegankelijke deel van onze hersenen– scannen op vroege tekenen van AD, nog voor de eerste symptomen verschijnen. Een sneller diagnose-instrument zal het mogelijk maken om de voortgang van de ziekte te bestuderen, geïndividualiseerde patiëntenzorg te bieden en het succes van nieuwe therapieën te evalueren. De hyperspectrale camera's van imec zijn al met succes toegepast op microscopen en netvliesfunduscamera's voor deze toepassing.
- TESCoGEN: Met behulp van minimaal invasieve epicraniële stimulatie is het doel van dit project het behoud van neuronen in hersengebieden die betrokken zijn bij het cognitief functioneren. De optimale stimulatieparameters worden momenteel onderzocht in verschillende modellen.
De ziekte van Parkinson
In Europa zijn er meer dan een miljoen mensen die lijden aan de ziekte van Parkinson en ongeveer zeven miljoen die lijden aan een vorm van dementie. Met de vergrijzing van de bevolking zal dit aantal in de komende tien tot twintig jaar naar verwachting verdubbelen, wat een grote uitdaging vormt voor de gezondheidszorg (informatie beschikbaar op de website van de European Parkinson’s Disease Association.
De ziekte van Parkinson is een neurodegeneratieve hersenaandoening die geleidelijk aan beweging en spraak beïnvloedt. Ze is gerelateerd aan een verlies van neuronen in een netwerk in de hersenen dat voor beweging instaat, met de typische symptomen zoals struikelen of tremor als gevolg. Tien procent van de parkinsonpatiënten heeft een erfelijke vorm van de ziekte en vertoont een duidelijke genetische mutatie. Bij negentig procent ('sporadische' patiënten) is er geen gekende oorzaak.
De ziekte van Parkinson is ongeneeslijk, maar een aantal behandelingen kan de symptomen verlichten. Bijna alle patiënten moeten uiteindelijk medicatie nemen om motorische klachten te verminderen. Wanneer medicijnen niet (meer) effectief zijn, kunnen meer invasieve opties zoals chirurgie overwogen worden. De behandeling is heel individueel en wordt in de loop van de tijd aangepast op basis van de symptomen en de bijwerkingen.
Parkinson-gerelateerde circuits in de hersenen.
Uitdagingen in onderzoek naar de ziekte van Parkinson
Wat maakt het zo moeilijk om een remedie voor deze ziekte te vinden? In een notendop: we hebben nog geen weefsel-, dier- of celmodellen die de ziekte kunnen nabootsen zoals we ze bij mensen zien.
Een eerste probleem is dat we geen directe toegang hebben tot hersenweefsel van parkinsonpatiënten. De hersenen zijn alleen post-mortem beschikbaar en dan zijn de hersengebieden die het meest interessant zijn voor het onderzoek al afgestorven. Ten tweede worden patiënten voornamelijk gediagnosticeerd op basis van motorische symptomen, maar op dat moment zijn hun hersenen al beschadigd. We willen juist de hersengebieden bestuderen voordat de schade optreedt om zo het begin en de voortgang van de ziekte te begrijpen.
De derde uitdaging is het gebrek aan menselijke kenmerken in de dier- en celmodellen. Diermodellen hebben een cruciale rol gespeeld in het preklinische onderzoek voor de ontwikkeling van geneesmiddelen tegen bijvoorbeeld AIDS of Hepatitis C. In de afgelopen 20 tot 30 jaar hebben ze echter niet geleid tot nieuwe geneesmiddelen voor de ziekte van Parkinson. Celgebaseerde modellen vertrekken van stamcellen van patiënten die geherprogrammeerd worden in hersencellen (neuronen). Maar deze neuronen zijn niet ingebed in een netwerk, terwijl we weten dat de motorische problemen gelinkt aan Parkinson net ontstaan door communicatiestoornissen tussen verschillende hersengebieden.
Hersenziekten en chips
De opkomst van nieuwe chiptechnologieën en een veelzijdige genetische gereedschapskist kan helpen om nieuwe inzichten te verwerven in de ziektemechanismen en mogelijke behandelingsstrategieën voor de ziekte van Parkinson. Een onderzoeksgroep in imec stelt voor om met deze technieken een ‘hersen-op-chip’ model te bouwen waarmee elk neuronnetwerk kan nagebootst worden in het lab. Ze willen in de eerste plaats de Ziekte van Parkinson bestuderen. Voor Parkinson is het bijvoorbeeld interessant om te kijken naar de relatie tussen de gebieden die verantwoordelijk zijn voor de symptomen.
De imec-onderzoekers hebben daarvoor een chip (de zogenaamde MEA, multi-electrode assay) ontwikkeld met een groot aantal contacten waarop levende cellen –zoals hersencellen– aangebracht en in netwerken gekweekt kunnen worden. Met die contacten kunnen ze de elektrische activiteit van neuronen registreren om de werking en communicatie tussen de cellen in het netwerk te bestuderen. Anderzijds kun je door die contacten ook een klein elektrisch stroompje sturen om minuscule gaatjes in de cellen te maken waardoor je stofjes kan toevoegen –een proces dat elektroporatie genoemd wordt.
Links: imec’s MEA met meer dan 16.000 contactjes. Rechts: Neuronen gekweekt op de chip.
De cellen zullen de onderzoekers uit de huid van parkinsonpatiënten oogsten. Het gaat dan om zogenaamde stamcellen: voorlopercellen die geherprogrammeerd kunnen worden tot elke mogelijke cel, bijvoorbeeld een hersencel. Dat gebeurt in het lichaam, maar kan ook in het lab door bepaalde stoffen (transcriptiefactoren) toe te voegen aan de cel. De stamcellen worden op de MEA gekweekt waar ze raken aan minstens één contactje. Een stroomstootje later kunnen transcriptiefactoren door het gecreëerde gaatje de cel binnen en deze omvormen tot een hersencel bijvoorbeeld gelinkt aan een Parkinsonnetwerk.
Stamceltechnologie maakt het mogelijk om elk relevant neuronnetwerk te reconstrueren op de MEA, er eventueel aanpassingen aan te doen en uiteindelijk de effecten van medicijnen op de netwerken te bestuderen. Imec’s MEA bundelt meer dan tienduizend contactjes op een vierkante millimeter; de precisie die nodig is om stamcellen op celniveau te herprogrammeren. Door elke cel te herprogrammeren naar de gewenste hersencel kan je in principe alle mogelijke netwerken namaken op chip. Je kan ook verschillende patronen creeren door selectief cellen op bepaalde locaties te herprogrammeren.
Boven: patiëntcellen kunnen geherprogrammeerd worden tot neuroncellen op de chip om zo een netwerk te creëren. Onder: Door op specifieke locaties cellen te herprogrammeren, kan elk gewenst patroon gemaakt worden.
Unieke chipprofielen
De hypothese van de imec-onderzoekers is dat de neuronnetwerken in parkinsonpatiënten unieke kenmerken vertonen. In de eerste plaats zullen de onderzoekers neuronen van parkinsonpatienten met een gekende mutatie op de MEA groeien (de genetische variant) om hun elektrische activiteit te karakteriseren en te vergelijken met cellen van gezonde individuen. Daarna zal hetzelfde gedaan worden met de hersencellen van sporadische patiënten. Het uniek ‘elektrisch chipprofiel’ van het neuronnetwerk van alle patiënten kan tenslotte gecategoriseerd worden (dat heet ‘stratificatie’).
De implicaties van deze strategie zijn enorm. Ze maakt het mogelijk om de ziekte van Parkinson objectief te definiëren via kwantificeerbare kenmerken in plaats van via de typische bewegingssymptomen. Deze aanpak kan leiden tot gerichte therapieën om de ziekte te vertragen of –wie weet– op termijn zelfs volledig te stoppen. Bovendien zorgen de nagebootste neuronnetwerken op de MEA ervoor dat geneesmiddelenstudies kunnen uitgevoerd worden op een volledige patiëntenpopulatie die op basis van hun elektrisch chipprofiel in groepen is onderverdeeld. Dat scheelt als je weet dat bijvoorbeeld de tien procent genetische parkinsonpatiënten verspreid zitten over de hele wereld, wat studies moeilijk maakt.
Parkinsonpatiënten kunnen gecategoriseerd worden op basis van hun elektrisch chipprofiel.
Het brein is 3D...
Als we eenmaal weten hoe de verschillende hersengebieden met elkaar interageren bij parkinsonpatiënten, kunnen we de zieke cellen ook gaan manipuleren (bijvoorbeeld door medicatie toe te voegen) en het effect van deze manipulaties bestuderen. We kunnen ook meer cellen toevoegen, waardoor de netwerken complexer worden om zo de hersenen van de patiënt beter te weerspiegelen. We zouden bijvoorbeeld ook naar effecten van ontstekingscellen op het netwerk kunnen kijken.
Anderzijds zijn de hersenen natuurlijk meer dan een tweedimensionale laag cellen. Het is een 3D-orgaan waarbij neuronen vanuit verschillende hoeken input krijgen in het netwerk. In de komende jaren wil imec daarom 3D-structuren implementeren in hun onderzoek. Naast de traditionele 2D-modellen worden wereldwijd complexere 3D-celculturen en mini-organen (organoïden) ontwikkeld in laboratoria. De mini-organen worden steeds beter en evolueren van ongeorganiseerde cellenklompen tot gestructureerde organen die circuits bevatten.
...en dat zal de MEA ook zijn
Het gebruik van zulke 3D-celstructuren or mini-organen heeft ook gevolgen voor de MEA, want die is nog steeds 2D. Imec werkt daarom aan een 3D MEA door meerdere MEA's op elkaar te stapelen die met gaten en knooppunten in verbinding staan met elkaar. Op die manier kunnen de cellen door de openingen groeien en in drie dimensies contact maken met de contactpuntjes op de MEA.
Een toekomstvisie van mini-organen op een 3D-MEA.
Meer weten?
- Bezoek de Mission Lucidity website
- Hou de website over hyperspectrale technologie in de gaten voor meer informatie over ADMIRE
