Onderzoekers van Harvard University hebben met een zelf ontwikkelde 3D-printer de eerste organ-on-a-chip gemaakt met daarin geïntegreerd rekstrookjes die meten hoe goed de hartspiercellen functioneren. De chip met werkend hartweefsel kan dienen om nieuwe medicijnen voor hart- en vaatziekten te testen.


Organs-on-chips zijn de laatste jaren snel opgekomen (‘Organs-on-chips versnellen ontwikkeling medicijnen’), met name voor biomedisch onderzoek. De chips met menselijke cellen erop bootsen de functie en structuur van echte organen na. Zo zijn biologische processen tot in detail te bestuderen. Daarnaast helpen ze bij het vinden van nieuwe medicijnen; die hoeven zo steeds minder vaak te worden getest op proefdieren.

De organs-on-chips zijn echter nog niet ideaal. Momenteel worden ze gemaakt in cleanrooms, met behulp van lithografie. Dat is een kostbare techniek. Bovendien is het lastig om zaken te meten aan zo'n chip, terwijl dat een belangrijk onderdeel van het onderzoek is.
 

Hartspier

Daarom gooit een team onderzoekers van het Wyss Institute van Harvard University het nu over een heel andere boeg. Met een in huis ontwikkelde 3D-printer maakten zij een organ-on-a-chip (persbericht ‘3D-printed heart-on-a-chip with integrated sensors’) dat in het klein de werking van de hartspier nabootst, zo schrijven ze in vakblad Nature Materials. De printer legt laagsgewijs verschillende materialen op elkaar. Zo ontstaat een chip met acht putjes erin, waarin experimenten met verschillende weefsels gedaan kunnen worden (zie afbeelding rechts).
 

Samentrekken en uitzetten

Hartweefsel vormt zich vanzelf op de chip.

Het werk van de Amerikanen focust op het menselijk hart. In een van hun experimenten injecteren ze in een van de putten losse menselijke hartspiercellen. Die zetten zichzelf vervolgens in elkaar (zelfassemblage) tot een stukje hartspier dat er precies zo uitziet als in het hart van een mens. Het stukje spier werkt ook zo: het trekt samen en zet weer uit.

Die bewegingen zijn te meten dankzij een bijzonder onderdeel dat de onderzoekers bij elk putje hebben ingebouwd: een balkje dat kan vervormen (zie onderstaande video). Een rekstrookje op het balkje meet de mechanische vervorming.

 

 

Langere tijd meten

De ‘hart-chip’ kan langere tijd het gedrag van het hartweefsel meten. Dat doet de chip door zowel de hartslag als de kracht van samentrekken bij te houden. Wanneer onderzoekers die door de tijd volgen, is bijvoorbeeld de invloed van een experimenteel medicijn op het weefsel te bepalen. Tot nu toe was het lastig om hartspieren voor langere tijd te meten. In één van hun experimenten hebben de onderzoekers een kunsthartje wekenlang gevolgd, waarbij ze zelfs de groei van nieuw hartweefsel hebben waargenomen.

De chip biedt een veel makkelijker manier om het gedrag van hartspierweefsel in de gaten te houden. Nu moeten onderzoekers het nog doen met een heleboel microscoopbeelden, die ze nauwkeurig moeten analyseren. Dankzij de chip kost observatie minder moeite én het kan helemaal elektronisch.
 

Testomgeving

De Amerikanen hebben als voorbeeld een handige testomgeving voor hartspierweefsel gebouwd. Hun 3D-printer is dusdanig flexibel dat ze er ook heel andere organs-on-chips mee kunnen bouwen. De onderzoekers maken bovendien de bouwplannen van hun 3D-printer openbaar, zodat straks ook andere onderzoeksgroepen een dergelijke printer kunnen bouwen. Dat kan voor een versnelling in het onderzoek zorgen.
 

Van links naar rechts de werking van de hart-chip: een stukje hartspierweefsel trekt samen, waardoor het balkje meebuigt. Hierop zit een rekstrookje, waarvan de elektrische weerstand verandert, recht evenredig met de vervorming. Zo is op relatief eenvoudige wijze – want elektronisch – steeds de vervorming van het spierweefsel te meten. Illustratie: Lind et al., Nature Materials, 2016.


Beelden Johan Lind, Michael Rosnach, Disease Biophysics Group / Lori K. Sanders, Lewis Lab/Harvard University