Microfluidics is een term die wordt gebruikt om een verzameling van opkomende technologieën te beschrijven die gebruikt worden om de stroming en reacties van zeer kleine hoeveelheden vloeistof of gas te regelen in geminiaturiseerde systemen met kanalen, knooppunten, kleppen, roerders, doseerders, warmtewisselaars, microreactievaten en dergelijke. De afmetingen van de procestechnologische componenten ligt in de orde van grootte van enkele tientallen micrometers. Een toenemende integratie van dergelijke componenten met behulp van moderne lithografische technieken zoals soft lithography leidt tot nieuwe systeemconcepten zoals lab on a chip (LoaC). In essentie is een LoaC dus een (gedeelte van) een chemisch of fysisch proces dat tot op micrometerniveau is geminiaturiseerd.
LoaC’s zullen in de toekomst vaker worden gebruikt in zowel toegepast als fundamenteel wetenschappelijk biomedisch onderzoek, voornamelijk dankzij ontwikkelingen in soft lithography. Met deze lithografische techniek worden relatief gemakkelijk driedimensionale structuren opgebouwd uit polymeren met bovengenoemde procestechnologische componenten. De hiervoor meest gebruikte polymeer, polydimethylsiloxaan (PDMS), heeft als bijkomende eigenschap dat het niet biologisch actief is. Hierdoor heeft PDMS dus geen verstorende werking op de biologische test of analyse.
Technologie van LoaC: van celcultuur tot analyse
LoaC’s bieden kostenvoordelen: ze zijn relatief goedkoop te produceren, en doordat voor testen en analyses in LoaC’s slechts kleine minuscule hoeveelheden (10-100 nanoliter) van de monsters en reagentia nodig zijn, verlopen reacties relatief snel. Vanwege het laminaire stromingsregime vindt stofoverdracht plaats door middel van diffusie, een proces dat relatief eenvoudig te sturen is. LoaC’s bieden verder goede mogelijkheden om routinematige testen en analyses verregaand te automatiseren.
Maar door hun veel grotere complexiteit en mate van integratie bieden LoaCs nog een ander groot voordeel voor biomedisch onderzoek. In een lichaam staan cellen bloot aan verschillende stimuli, die in tijd en ruimte kunnen variëren door verschillende factoren, waaronder door naburige cellen uitgescheiden eiwitten en cytokinen (stoffen een rol spelen in de chemische signalen tussen de cellen), maar ook biochemische en mechanische interacties met de extra-cellulaire matrix (ECM, materiaal dat door cellen uitgescheiden wordt en dat stevigheid en structuur geeft aan weefsels). De meeste in vitro-experimenten vinden echter plaats in de tweedimensionale celcultuur van een petrischaaltje, wat geen goede representatie is van de in vivo-omstandigheden waaronder cellen zich in biologische systemen bevinden. Vaak zijn er te veel voedingsstoffen aanwezig, de driedimensionale cellulaire en ECM-structuur ontbreekt, er is onvoldoende zuurstof aanwezig en ook de interacties tussen de cellen onderling zijn minder gestructureerd dan in een in vivo-omgeving.
LoaC’s bieden een hiervoor een gedeeltelijke remedie. Door middel van soft lithography kunnen LoaC’s worden gebouwd die dermate complexe structuren bevatten dat ze in staat zijn om in vivo-stimuli te simuleren: driedimensionale structuren waarop cellen op een georganiseerde wijze kunnen groeien, vloeistofkanaaltjes waarmee de juiste hoeveelheden zuurstof en voedingsstoffen kunnen worden aangevoerd en flexibele polymere structuren waarmee de mechanische krachten waar cellen aan blootstaan worden nagebootst.
Figuur 1. Totale LoaC integratie. Bron: ‘Cells on Chips’, El-Ali et al., Nature, juli 2006.
Figuur 1 geeft een schematisch overzicht van de verschillende processtappen die op een LoaC kunnen worden geintegreerd. De intra-cellulaire signaalcascade, en dus in vivo-celgroei, wordt zo veel mogelijk nagebootst door middel van driedimensionale structuren en microfluïdische systemen waarmee nutriënten, cytokinen en eiwitten op een juiste wijze aangevoerd worden. Op basis van fysische en chemische celkarakteristieken kunnen standaard scheidingstechnologieen worden gebruikt om uit een heterogene celpopulatie de gewenste cellen of zelfs één enkele cel te isoleren.
Scheiding vindt plaats door onder andere elektrokinetische technieken (elektro-osmose of diëlektroforese op basis van de elektrische celeigenschappen), maar cellen kunnen ook gescheiden worden op basis van fluorescentie, waarbij fluorescently activated cell sorters, opgebouwd uit pneumatische pompen en kleppen, cellen sorteren op basis van fluorescentie. Tenslotte kunnen cellen gescheiden worden op basis van de affiniteit van hun oppervlaktereceptoren voor specifieke eiwitten die aan de oppervlakte van de stromingskanalen aangebracht worden. Hierdoor wordt hun doorstroming in meer of mindere mate verhinderd, hetgeen een chromatografische scheiding van cellen tot gevolg heeft. Na de scheidingsstap(pen) worden de celmembranen van de te analyseren cellen via een chemische of mechanische route opengebroken waarna de celinhoud (DNA, RNA, mitochondriën, eiwitten) kan worden geanalyseerd. Ook hiervoor kunnen weer verschillende procestechnologische scheidingsstappen op de LoaC worden geïntegreerd.
Toepassingen van Lab on a Chip in de gezondheidszorg
Bovenstaande eigenschappen maken LoaC’s bijzonder geschikt voor een aantal functies in de gezondheidszorg. Zo worden microfluïdische systemen reeds veel toegepast voor de analyse van DNA en RNA. LoaC's integreren hierbij processtappen voor amplificatie (vermeerdering) van DNA en hybridisatie (het matchen van DNA-fragmenten met complementaire, van tevoren gesynthetiseerde DNA-fragmenten). Hieronder staan enkele voorbeelden beschreven van toepassingen, die zich momenteel nog vooral in de onderzoeksfase bevinden.
Biosensoren op basis van cellen
Dit type biosensoren detecteert fysiologische veranderingen in cellen in reactie op pathogenen, verontreinigingen en biologisch actieve stoffen, waaronder medicijnen. De detectorcellen worden aangebracht op de wand van de stroomkanalen waar het monster (gas of vloeistof) doorheen wordt geleidt. Veranderingen in de cellen kunnen optisch (veranderingen in fluorescentie) of elektrisch (bijvoorbeeld verandering in weerstand) worden uitgelezen. Een concrete toepassing hiervan in de gezondheidszorg is bijvoorbeeld de analyse van bloed- en urinemonsters van patiënten.
Screening van potentiele nieuwe geneesmiddelen
High throughput screening van chemische verbindingen is een belangrijk hulpmiddel om snel bioactieve (en dus mogelijk therapeutische) stoffen te identificeren. Een belangrijk voordeel van LoaCs' is de mogelijkheid om in vivo-omstandigheden te kunnen nabootsen. Soms is de toxiciteit van een mogelijk therapeutische stof in het ene weefsel immers het resultaat van het metabolisme in een ander weefsel, vaak de lever. In dergelijke situaties zouden twee van elkaar geïsoleerde testen geen toxisch resultaat opleveren. Een LoaC die verschillende met elkaar verbonden reactievaten heeft, met in elk vat een verschillend type cel (bijvoorbeeld levercellen en longcellen) kan dergelijke toxiciteit wel aan het licht brengen.
Onderzoek naar differentiatie en proliferatie van stamcellen
Een van de grote onderzoeksuitdagingen in het stamcelonderzoek is de wijze waarop stamcellen differentiëren tot gespecialiseerde cellen. Welke chemische signalen liggen hieraan ten grondslag? Dit wordt onderzocht door stamcellen in een LoaC op te nemen, waarna hun chemische omgeving relatief gemakkelijk en precies gemanipuleerd kan worden.
Bronnen en meer informatie
1. 'Polymere microfluidische systemen', TWA Nieuws, Paul op den Brouw, juli 2006
2. 'The origins and the future of microfluidics', George M. Whitesides, Nature juli 2006
3. 'Microfluidic diagnostic technologies for global public health'', Yager et al., Nature, juli 2006
4. 'Cells on Chips', El-Ali, Sorger & Jensen, Nature, juli 2006
5. 'Milestones in Life Science - An overview of recent advances', Mike May and Gary Heebner |