Lab-on-a-chip van één cent herkent ernstige ziektes

"Voor zover wij weten is er nog niet eerder melding gemaakt van een dergelijke platform met vergelijkbare functionaliteit, kostprijs en voordelen", concludeert het team onder leiding van dr. Ronald Davis in hun paper.

Voor de diagnostiek van medische aandoeningen wordt veelvuldige gebruik gemaakt van gespecialiseerde toestellen en teams van technici die zorgen dat het onderzoek veilig en correct wordt uitgevoerd. Dat is een kostbare aangelegenheid want zelfs de meest elementaire apparaten – zoals een centrifuge die de verschillende componenten van het bloed scheidt – kunnen al duizenden euro’s kosten. Dat is een prijskaartje dat men zich in ontwikkelingslanden niet kan veroorloven.

Zonder toegang tot goedkopere opties zijn landen die te kampen hebben met HIV of malaria ernstig beperkt in hun strijd tegen deze aandoeningen.

Isoleren

Als een ziekte als HIV of malaria toeslaat, is niet elke cel in het lichaam geïnfecteerd. Voor het stellen van een accurate diagnose proberen wetenschappers vaak om eerst de ‘schuldige’ cellen te isoleren. Omdat de populatie zieke cellen doorgaans veel kleiner is dan die van gezonde cellen, moeten onderzoekers ze voorzien van een special  marker, waarmee diagnosetoestellen  ze er op een betrouwbare manier uit kunnen pikken. Dit is een lastige en tijdrovende stap: niet alle doelcellen krijgen een marker en soms kan de marker zelf de eigenschappen van een cel veranderen.

Ongeveer 15 jaar geleden begon de wetenschap met onderzoek naar het vereenvoudigen en miniaturiseren van het hele proces. De meeste cellen en biomoleculen hebben specifieke eigenschappen – grootte, vorm en elektronische lading, om er een paar te noemen. Bij het onderzoek van deze eigenschappen maakten onderzoekers tientallen sensoren die alleen gevoelig zijn voor biodeeltjes met een bepaalde eigenschap. In combinatie met microfluïdica, een techniek die omgaat met kleine hoeveelheden vloeistof, konden de sensoren bloedcellen isoleren, bacteriën afzonderen of diverse eiwitten en DNA-moleculen vinden in bloeddruppels en andere biologische monsters: de eerste lab-on-a-chip componenten zagen het daglicht.

Verrassend

Bijna onmiddellijk werd het potentieel van dergelijke diagnostische wonderen onderkend voor het helpen van arme ontwikkelingslanden. Maar het was moeilijk om ze te maken. "Voor het produceren van dergelijke platforms is vaak een cleanroom nodig, met zeer geavanceerde apparatuur en getraind personeel", zegt mede-auteur  dr. Rahim Esfandyarpour. "Die hele procedure kan dagen of weken duren".

Om deze problemen te omzeilen maakte het team van Davis gebruik van een verrassend productiemiddel: de inkjetprinter. Hun nieuwe chip – FINP-chip gedoopt – is een modulaire drielaags sandwich: de bovenste, herbruikbare laag is gemaakt van commercieel verkrijgbare geleidende deeltjes, rechtstreeks geprint op een flexibel vel polyethyleen. De onderste laag is een siliconen wegwerp-‘kamer’ waarin de biologische vloeistof wordt vastgehouden. Een dunne isolatielaag scheidt de bovenste elektronica van de kamer.

Tekenprogramma

Het maken van zo’n chip is een eenvoudig tweetraps proces. Om te beginnen kan gebruik worden gemaakt van elk vector-tekenprogramma – bijvoorbeeld Adobe Illustrator – om een elektronicaconfiguratie naar wens te tekenen. Omdat er verschillende configuraties worden gebruikt voor verschillende diagnosedoeleinden, is dit de stap waarin de chip exact op maat wordt gemaakt volgens de wensen van de gebruiker.

Vervolgens kan met elke inkjetprinter het getekende elektronische patroon worden geprint op een goedkope plastic folie die wordt geplaatst op de voor eenmalig gebruik bedoelde kamer. Net als bij 3D-printen zijn de ontwerpen downloadable te maken, zodat iedereen met een printer zijn eigen biochips kan maken als hij ze nodig heeft.

Proeven

Net als bij eerdere microchips isoleert de FINP-chip cellen en biomoleculen, op basis van hun intrinsieke elektrische eigenschappen. Als proof-of-concept ontwierp het team en chip met twee kamers: één die cellen isoleert en een andere die ze analyseert. Daarna deden ze een serie proeven om de chip te valideren.

In een van de proeven toonde het team dat de chip efficiënt borstkankercellen kon isoleren uit een vloeistofmonster. Net als de meeste biomoleculen, zoals proteïnen en DNA, hebben kankercellen een unieke oppervlaktelading. Door het manipuleren van het elektrisch veld konden de onderzoekers de kankercellen naar een specifieke kamer op de chip sturen en hem daar vasthouden, weg van alle andere celtypen.

Doordat de chip zeldzame circulerende tumorcellen kan vinden, helpt hij bij het vroegtijdig ontdekken van beginnende kanker en bij het verbeteren van onze kennis over de ziekte. De chip kan daardoor levens redden vooral ook in ontwikkelingsgebieden, stellen de onderzoekers.

In een ander experiment wilde het team uitzoeken of de chip kan worden gebruikt om in een bepaald monster het aantal cellen nauwkeurig te tellen. Het tellen van immuuncellen wordt vaak gebruikt voor de diagnose van infectieziekten als tuberculose en malaria. Dat wordt tot nu toe gedaan met zogenoemde flow-cytometrie waarvoor alleen de apparatuur al € 100.000 kost. De chip van een cent deed het even goed…  

Democratiseren van diagnostiek

De FNIP-chip is de jongste aanwinst in de ‘zuinige wetenschap’, die goedkope, draagbare en betrouwbare hulpmiddelen wil ontwikkelen voor artsen over de hele wereld. Eerdere ontwikkelingen waren  een opvouwbare microscoop die maar 50 cent kost, of een papieren centrifuge waarvoor geen elektriciteit nodig is.

Davis en zijn team spannen zich nu in om hun chip te commercialiseren. Dat betekent dat er – omdat het gaat om een biomedisch platform – nog diverse stappen moeten worden gezet voor het testen, valideren en optimaliseren. "Dat pad zullen we nauwgezet volgen", zeggen de onderzoekers. Maar ze zijn er zeker van dat hun ontwikkeling grotere individuele toegang zal geven tot diagnostische applicaties  in ontwikkelingslanden waar de middelen schaars zijn.