Chip meet hoe goed virussen hechten aan een cel

Hoe gemakkelijk – of moeilijk – een griepvirus zich hecht aan menselijke cellen is lastig te meten. Daarom bouwde Nico Overeem aan de Universiteit Twente een chip die kan meten hoe 'graag' een nieuw griepvirus zich hecht aan een celoppervlak met een bepaalde dichtheid aan receptoren.

Via hoesten, niesen of een handdruk: zo besmetten mensen elkaar met een griepvirus. Virusdeeltjes van iemand anders komen via speekseldruppels in de lucht of via een besmet oppervlak naar je toe. Als de virussen je ogen, neus of mond bereiken, kunnen ze je lichaam binnenkomen. Zo’n virus hecht zich dan aan je cellen, kruipt daar naar binnen en begint zich te vermenigvuldigen. Je hebt griep.

Een griepvirus is voor zijn succes natuurlijk in de eerste plaats afhankelijk van hoe gemakkelijk het zich kan verspreiden en hoe eenvoudig het een lichaam binnendringt. Maar vervolgens draait alles om een goede hechting aan de receptoren die aan de buitenkant van de cellen van een mens of dier zitten. Pas als die hechting voor elkaar is, kan het virus de cel binnengaan.
 

Suikers

Virologen willen dus graag weten hoe gemakkelijk een nieuw, onbekend virus zich hecht aan die receptoren. Nu is het zo dat verschillende virussen met een verschillende sterkte aan uiteenlopende typen receptoren binden. 'Griepvirussen gebruiken suikers als receptor, maar door mutaties in de eiwitten aan buitenkant van het virus verschilt hoe sterk ze aan welke suikers binden en daarmee ook hoeveel ze nodig hebben om vast te blijven zitten', vertelt promovendus Nico Overeem van de Universiteit Twente.

Om aan deze ingewikkelde processen metingen te kunnen doen, ontwikkelde Overeem in de groep van Jurriaan Huskens aan de Universiteit Twente een speciale microfluïdische chip. Het bouwen van dit soort chips met minuscule vloeistofkanaaltjes erin is een specialiteit van de universiteit.
 

Dichtheid

Een virus bindt meestal aan meerdere receptoren (complexe moleculen die uit het oppervlak van een cel steken) tegelijk en daarom stopte Overeem in zijn chip gebieden met relatief weinig receptoren en met veel receptoren. ‘Om precies te zijn leg ik een gradiënt aan, waarbij de dichtheid van receptoren geleidelijk aan toeneemt’, legt hij uit (zie de illustratie bovenaan).

Bij het doen van een meting laat Overeem een bufferoplossing met de virussen erin door dit kanaaltje op de chip lopen. Die virussen komen dan langs de verschillende receptoren en sommige zullen daaraan blijven hangen. 'Griepvirussen kunnen binden en binnendringen als de dichtheid van de juiste suikers op de buitenkant van de cel hoog genoeg is', legt Overeem uit.
 

Duizenden virussen

Vervolgens is het de vraag hoeveel virussen zich hebben gehecht. Die aantallen meet Overeem op een bijzondere manier. Handmatig tellen is totaal onbegonnen werk, door de duizenden aanwezige virussen en doordat virussen extreem klein zijn, rond de 100 nanometer. Daarom heeft hij de virussen fluorescent gelabeld; er zit een molecuul aan vast dat licht uitzendt. Hetzelfde deed hij met de receptoren, alleen zenden die een andere kleur licht uit, zodat ze op de microscoopbeelden te onderscheiden zijn. 

‘Op de digitale foto’s van de microscoop is uit de intensiteit van het licht het aantal gebonden virussen af te lezen.’ Uit de verhouding tussen het aantal receptoren en het aantal virussen is de affiniteit te berekenen: hoe graag het virusdeeltje bindt. ‘Dit is wel nog ingewikkeld. We hebben hiervoor de hulp ingeroepen van Nick Tito, een theoretisch natuurkundige, die voor ons een formule heeft opgesteld. Daarmee kon mijn collega Erik Hamming uit de microscoopbeelden de affiniteit berekenen.’
 

Instrument

De chip van Overeem en collega’s is vooral een wetenschappelijk instrument. Virologen (Overeem werkte samen met Erhard van der Vries van de Universiteit Utrecht) kunnen hem bijvoorbeeld gebruiken om meer te weten te komen over een nieuw bij dieren ontdekt griepvirus. Is dat gevaarlijk voor mensen? Bindt het virus bijvoorbeeld beter aan een type receptor dat vooral bij vogels voorkomt, en minder goed aan receptoren bij mensen? Of misschien blijkt een nieuw griepvirus wel vooral te binden aan receptoren die vooral in de bovenste luchtwegen (neus, keel) voorkomen en minder in de longen. ‘In dat geval hangt dat meestal samen met een minder ernstig verloop van de ziekte’, zegt Overeem.
 

Corona

Om te kunnen bijdragen aan het bestrijden van de coronapandemie is het nog te vroeg, zegt Overeem. ‘Mijn meetmethode richt zich op griepvirussen die zich aan suiker-receptoren hechten. Daar bindt SARS-CoV-2 weliswaar ook aan, maar we weten nog niet wat de functie daarvan is. Om cellen binnen te dringen hecht het aan een bepaald eiwit, ACE2 genaamd. SARS-CoV-2 gebruikt naast ACE2 nog andere eiwitten en suikers om cellen binnen te dringen, maar hoe dat precies samenhangt vergt nog veel onderzoek. Ik denk dat mijn chip zou kunnen helpen, maar ik zie nog niet precies hoe.’
 

Nieuwe geneesmiddelen

Op termijn kan de chip zelfs worden ingezet voor het ontwikkelen van nieuwe geneesmiddelen. Van twee verschillende soorten zelfs, denkt Overeem. ‘Ten eerste voor nieuwe antivirale middelen (die de gevolgen van een virusinfectie moeten verminderen, red.). Die bestaan vaak uit lange moleculen, polymeren, die om een virus heen vouwen en zo zorgen dat het zich niet meer aan de cel kan binden. Maar voor een optimale werking moet dit “vangnet” natuurlijk wel receptoren hebben die gemakkelijk aan het virus binden.’

 

Kanker

Daarnaast kan de chip ook bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe antikankermiddelen. Nu krijgen mensen met kanker vaak nog chemotherapie toegediend, zeer agressieve middelen die overal in het lichaam komen en dus nare bijwerkingen geven. De wens is om een dergelijk middel in een pakketje te verpakken en gericht naar de tumor te brengen.

Er bestaan al middelen die dat kunnen, door aan receptoren te binden waarvan tumoren er veel meer hebben dan gezonde cellen. ‘Maar als je het pakketje net zo gericht wilt brengen als een virus dat doet, moet je het zo ontwerpen dat het tumorcellen optimaal van gezonde cellen onderscheidt. En daarbij wil je dus dat proces van hechten kunnen testen in het lab.’

Overeem verdedigt zijn proefschrift aanstaande vrijdagmiddag, 26 februari.
 

Openingsbeeld: Impressie van het binnenste van de microfluïdische chip. Hier is het kanaaltje te zien met op de bodem de receptoren (suikermoleculen). Te zien is dat de dichtheid van receptoren van achteren naar voren toeneemt. Voor in beeld zal een griepvirus (afgebeeld als een bolletje met stekels) dus een grotere kans hebben om te hechten aan het oppervlak. Illustratie Nico Overeem