Van medicijnfabriekjes in celformaat tot een ingebouwde schildwacht

Biologisch geknutsel in stroomversnelling

“Artificieel ontworpen gist breekt nieuw record met 50% synthetisch DNA”, stond recent in Nature. Ik begrijp dat dat nieuws u nog niet meteen doet jubelen, toch is er reden om aan te nemen dat deze onderzoeksmijlpaal vroeg of laat een impact zal hebben op uw job als arts, en vooral, op de gezondheid van uw patiënten.

Eerst een stapje terug: dankzij de fenomenale toename in rekenkracht, gecombineerd met de toewijding van onderzoekers en de nodige financiële middelen, zijn we er de afgelopen jaren in geslaagd om de 20.000 genen van het menselijk genoom steeds sneller en goedkoper uit te lezen. Maar uitlezen is één ding. Om echt te begrijpen hoe de biologie werkt en haar op termijn te kunnen manipuleren, moet je van elk stuk genetische code weten welke functie het vervult. Een uitstekende manier om dat te doen, is door het geheel synthetisch na te bouwen. Door te knutselen met biologie, als het ware. Of om nobelprijswinnaar Richard Feynman te citeren: “What I cannot create, I do not understand”. En zo komt het dat een consortium van labo’s knutselt aan een volledig synthetische stam voor de 16 chromosomen van saccharomyces cerevisiae, beter bekend als biergist. De keuze voor biergist is beslist geen toeval: gist is het best onderzochte organisme ter wereld en is interessant als model voor de mens. Het heeft minder genen, maar veel van de fundamentele processen zijn dezelfde. En doordat gistcellen zich zo snel delen, staat er een turbo op de natuurlijke selectie. Om een 100% synthetisch genoom te bereiken is nog veel bijkomend knutselwerk nodig. Terwijl er steeds meer stukjes van het DNA vervangen worden door synthetische onderdelen, moet het geheel van chromosomen perfect blijven functioneren. Door het genoom van gist na te bouwen, begrijpen we stilaan hoe elk onderdeel ervan werkt – en hoe we het kunnen manipuleren.

Met de opgedane kennis uit het gistonderzoek zullen we op termijn ook menselijke cellen zo kunnen modificeren dat ze nieuwe functies vervullen. Maar hoe sturen we die functies heel precies aan? Chiptechnologie zal daarin cruciaal zijn. Het kan minstens twee radicale oplossingen mogelijk maken die de medische wereld op hun kop kunnen zetten.

Oplossing 1: weg met de pillendoos

Wie een chronische medische aandoening heeft, kijkt vandaag aan tegen de dagelijkse inname van medicijnen of –in het geval van bijvoorbeeld diabetes- injecties. En het zal u als arts allicht niet onbekend in de oren klinken: heel wat patiënten worstelen om de juiste dosis op het juiste moment in te nemen. Met de methodes van synthetische biologie wordt het mogelijk om van cellen levende medicijnfabriekjes te maken. Concrete toepassingen kunnen zijn: diabetes, waar een synthetische cel glucagon zou kunnen toedienen, obesitas, waar hetzelfde gebeurt met amyline of leptine, en de ziekte van Graves (de meest voorkomende oorzaak van een te snel werkende schildklier) waar het niveau van levothyroxine op peil gehouden moet worden.

Wat we daarvoor moeten doen is een klein, implanteerbaar bio-elektronisch toestel ontwikkelen. Dit apparaat moet niet alleen synthetische cellen bevatten die zijn aangepast om specifieke behandelingen in het lichaam af te leveren, maar ook sensoren die precies meten wat het lichaam nodig heeft en een regelsysteem dat de dosering moduleert – en bijstuurt op basis van metingen. Met behulp van deze benadering zouden patiënten automatisch enkelvoudige of combinatietherapieën toegediend kunnen krijgen die door hun arts specifiek zijn afgestemd op hun noden.

Oplossing 2: een schildwacht die ziektes buiten houdt

De tweede toepassing van synthesisch biologie is een ‘levende schildwacht’ die belangrijke biomarkers in het lichaam meet -elementen die de aanwezigheid van een bepaalde ziekte in een vroeg stadium verraden. Door zulke biomarkers continu te monitoren, groeit de ‘pakkans’ van ziektes enorm. Concreet: interleukine 6 zou chronische inflammatie kunnen verraden, voor obesitas zijn detailmetingen van vetzuren dan weer interessant, voor de ziekte van Crohn is dat het eiwitcomplex calprotectine, voor de ziekte van Graves gaat het om TSH of ongebonden thyroxine.

Imec-technologie in de controlekamer van synthetische biologie

Om een biologisch medicijnfabriekje in de praktijk hanteerbaar te maken, moeten we het kunnen digitaliseren: we moeten van buitenaf de werking kunnen opvolgen, en kunnen bijsturen. Dat is technisch behoorlijk uitdagend. Zo hebben we een draadloze verbinding nodig tussen de precisie-elektronica buiten het lichaam en de synthetische cellen binnenin. Energie moet draadloos op de juiste plek komen. Maar er moet ook precieze informatie verstuurd worden in twee richtingen: wat is de status van de synthetische cellen? Welke dosis medicatie moeten ze produceren?

Bij imec werken we naarstig aan technologie die draadloos energie en communicatie kan verzorgen. Bijvoorbeeld via inductief laden (vergelijkbaar met hoe je je smartphone draadloos oplaadt). Het implantaat moet met heel weinig stroom kunnen werken. In plaats van een antenne te bouwen die we mechanisch sturen, zouden we bijvoorbeeld kunnen moduleren met RF-golven om op precies de juiste plek in het lichaam terecht te komen. Er is vandaag nog een belangrijke barrière: het is niet mogelijk om biologische en chemische metingen (die complexer zijn dan elektrische metingen) langere termijn te verrichten in het lichaam. Voor innovatieve oplossingen kijken we momenteel richting een voorraadje sensoren, die élk bijvoorbeeld gedurende een week meten, en om de beurt beginnen.

Ambitieuze roadmap

De kracht van synthetische biologie biedt zonder enige twijfel baanbrekende oplossingen voor onze gezondheidszorg. Maar hoe futuristisch is dit? Hoe ver staan we nog van het moment waarop uw patiënten hun insulinespuit achterwege mogen laten? Zoiets is altijd moeilijk te voorspellen. Het Amerikaanse Advanced Research Projects Agency for Health (Arpa-H) heeft in elk geval al het plan opgevat om de twee bovengenoemde oplossingen binnen de 6 jaar klaar te maken voor de markt. Zoals altijd bij dit innovatieve agentschap is dat een ambitieuze roadmap, maar er wordt hard aan gewerkt. Zeker is dat chiptechnologie een cruciaal puzzelstuk wordt om deze gepersonaliseerde, precisie-aanpak mogelijk te maken.

Dit artikel verscheen eerder als column in De Artsenkrant.