Een menselijk hoornvlies construeren op een chip: het klinkt nog als toekomstmuziek, maar voor doctoraatsstudent Joris Van Meenen is het dagelijkse praktijk. Binnen zijn onderzoeksgroep ARGOS (Translationele Neurowetenschappen) werkt hij aan de ontwikkeling van zo’n cornea-on-chipmodel dat de barrièrefunctie van het hoornvlies moet nabootsen. “Een cornea-on-chip zou ons bijvoorbeeld nieuwe inzichten kunnen geven over de impact van het knipperen met onze ogen”, vertelt Joris.
“Medicijnen testen op mensen zou natuurlijk het beste resultaat opleveren, maar dat kan om ethische redenen niet zomaar. Daarom zoeken we binnen de geneeskunde steeds naar modellen die de mens zo goed mogelijk nabootsen”, legt Joris uit. De cornea-on-chip maakt deel uit van de bredere organ-on-chiptechnologie (OOC), een innovatieve methode die aan populariteit wint bij preklinische testen van medicijnen en behandelingen.
Van 2D naar 4D
Een organ-on-chip is een miniatuurchip die gevuld wordt met weefsel en voorzien is van microfluïdische kanaaltjes. “Via die kanalen kunnen we de vloeistofstromen simuleren zoals die in het lichaam voorkomen. Zo kunnen we de cellen voeden of medicijnen toedienen om te kijken welk effect ze hebben op het weefsel”, aldus Joris.
De ontwikkeling van medicijnen en behandelingen heeft de laatste decennia een sterke evolutie doorgemaakt. “In het begin werkten onderzoekers met 2D-culturen, waarbij er cellen werden gekweekt op een plastic ondergrond. Later kwamen de 3D-culturen, bestaande uit verschillende celtypes en bindweefsel. Maar ook die modellen blijven statisch, terwijl het menselijk lichaam juist dynamisch is”, aldus Joris.
Volgens Joris kan een organ-on-chip vandaag de dag gezien worden als een soort ‘4D-cultuur’. “Een OOC combineert die driedimensionale structuur van weefsel met dynamische eigenschappen, waardoor we ook de menselijke fysiologie kunnen nabootsen”, licht hij toe.
Op die manier vormt OOC-technologie een veelbelovende tussenstap tussen eenvoudige in-vitrotesten en complexere dierproeven. “Er zijn al labo’s die verschillende organ-on-chips met elkaar koppelen. Denk bijvoorbeeld aan een gut-on-chip, die de opname van medicijnen in de darmen modelleert, gekoppeld aan een liver-on-chip, die toont hoe die medicijnen worden afgebroken. Zo evolueren we richting een human-on-chip, een systeem dat de complexiteit van een diermodel zo dicht mogelijk benadert”, licht Joris toe.
Cornea-on-chip
Ook in de oogheelkunde biedt organ-on-chiptechnologie veel potentieel, zeker omdat het menselijk hoornvlies zo complex is. “Voor onderzoek naar het hoornvlies kun je diermodellen gebruiken, maar die zijn niet altijd even representatief: het hoornvlies van dieren is soms dikker, de cellen groeien anders of de barrièrefunctie verschilt. Daarom is het nog altijd het meest waardevol om te werken met menselijke cellen”, aldus Joris. Daarnaast kan een cornea-on-chip bijdragen aan het terugdringen van pijnlijke dierproeven zoals de DRAIZE-test, een klassieke test op konijnen waarbij stoffen in het oog worden aangebracht om irritatie te meten.
In zijn doctoraat spitst Joris zich toe op de ontwikkeling van een cornea-on-chip die de barrièrefunctie van het hoornvlies nabootst, met als doel te meten hoe goed het weefsel stoffen tegenhoudt. Hoewel die technieken al langer bestaan, geeft Joris er een vernieuwende draai aan door ze te integreren in de chip zelf. “De barrièrefunctie testen we via elektrische weerstand: hoe hoger de weerstand, hoe sterker de barrière. In klassieke opstellingen rustte het hoornvlies op een artificieel plastic membraan, maar ik heb in mijn onderzoek gezien dat dat membraan voor foute interpretaties van de data kan zorgen. Dat heb ik opgelost door het weefsel rechtstreeks in de chip te integreren, zonder tussenliggend membraan”, legt Joris uit.
Knipperen
Een cornea-on-chip zou mogelijk ook kunnen verklaren waarom we knipperen met onze ogen. Vandaag de dag is het namelijk nog niet volledig duidelijk hoe het knipperen zou bijdragen aan de gezonde werking van ons hoornvlies. “Het hoornvlies bestaat uit verschillende lagen, waarvan het epitheel de belangrijkste barrière vormt. We weten dat dat komt omdat de epitheelcellen gaan differentiëren (n.v.d.r. zich ontwikkelen tot gespecialiseerde cellen), maar er is nog geen standaardprocedure om dat proces op te wekken. In een cornea-on-chip zouden we het knipperen kunnen nabootsen door vloeistofstromen van bepaalde sterktes door de microfluïdische kanaaltjes te sturen. Op die manier zouden we kunnen nagaan of het invloed heeft op de barrièrefunctie”, vertelt Joris.
Dezelfde vloeistofstromen kunnen bovendien geautomatiseerd worden. “De chips kunnen gekoppeld worden aan pompen die de voedingsvloeistof automatisch ververst of nieuwe medicijnen toevoegt. Die automatisatie vormt het meer translationele luik van mijn onderzoek”, vult Joris aan.
Onderzoeksteam
Joris voert zijn onderzoek uit onder begeleiding van prof. Carina Koppen, dr. Bert Van den Bogerd, prof. Sandra Van Vlierberghe en dr. Debbie Le Blon. Bovendien werkt hij binnen ARGOS samen met twee andere doctoraatsstudenten rond het topic cornea-on-chip. “Enerzijds richt Banafshe Pishva zich vooral op de biomaterialen die we kunnen inzetten om ons model van het hoornvlies zo accuraat mogelijk te maken. Anderzijds onderzoekt Evelyne De Vos of ons model daadwerkelijk overeenkomt met het menselijke hoornvlies, niet alleen wat de barrière-eigenschappen betreft, maar ook om te evalueren of het model een volwaardig alternatief kan zijn voor de DRAIZE-test. Zo kunnen we in kaart brengen wat er nodig is om het cornea-on-chipmodel effectief te gebruiken voor preklinische testen”, besluit Joris.
—
Op vrijdag 21 november gaat Joris dieper in op dit thema tijdens Friday Seminars ‘Inflammation & Immunology’ op Campus Drie Eiken. Daarnaast zal professor Irene Marco Rius van het Institute for Bioengineering of Catalonia (Barcelona) een lezing geven over haar innovatieve MRI-techniek die ze toepast op kleinschalige modellen zoals OOC’s.
