Pieter Edelman
19 September 2014

Een drempeltje in een microfluïdisch kanaal blijkt een verrassend effectieve oplossing om vloeistofstromen te sturen. Het Leidse Mimetas buit die vinding uit door gestructureerde systemen van verschillende typen cellen te bouwen waarmee complexe weefsels of delen kunnen worden nagebootst: zogenaamde organen-op-chip. Door een slimme vormgeving kon het snel naar de markt.

Nee, als je door de microscoop kijkt, zie je geen mini-levertje of -niertje liggen. Bij de Leidse start-up Mimetas krijgen ze nog weleens te maken met dat misverstand wanneer ze het over hun werkveld van ‘organen-op-chip’ hebben. Wat hiermee wel wordt bedoeld, zijn op microfluïdica gebaseerde celkweeksystemen die het gedrag van een weefsel of orgaan vrij goed nabootsen. Zo goed dat ze gebruikt kunnen worden voor onderzoek of het testen van medicijnen – soms zelfs zo goed dat ze proefdieren kunnen vervangen.

Mimetas blaast een aardige partij mee binnen dit ontluikende vakgebied. Het bedrijf timmert zo’n anderhalf jaar serieus aan de weg, maar heeft toch al leveringscontracten met een aantal van de grote namen binnen de farmaceutische industrie. Opmerkelijk in een wereld waar start-ups vaak jaren aan het schaven en proberen zijn voordat ze de weg naar een daadwerkelijke toepassing vinden.

Aan de basis van het succes ligt de phaseguide-technologie, die Paul Vulto in Freiburg en Bologna ontwikkelde. Eigenlijk is het niet meer dan een drempeltje van enkele micrometers hoog in een microfluïdisch kanaal. Maar dit simpele drempeltje biedt uitgebreide mogelijkheden om vloeistofstromen te sturen: wanneer een vloeistof het kanaal instroomt, blijft de meniscus aanvankelijk steken op de phaseguide totdat hij nergens anders meer naartoe kan.

De organen-op-chip zijn eigenlijk pas de eerste toepassing. ‘Paul kwam in 2010 langs om over toepassingen van zijn vinding na te denken. Toen zijn we samen gaan eten en aan het eind van de avond hadden we een hele mand met ideeën: biologische assays, meetinstrumenten, verzin het maar. Uiteindelijk hebben we de beste gekozen’, vertelt biotech-ondernemer Jos Joore. Tot een jaar geleden was hij samen met Vulto Mimetas. Nu telt het bedrijf al zo’n twintig werknemers.

 advertorial 

System engineering @ ASML, practices and challenges

During the first online session of the System Architecting Conference, on 25 January, Frank de Lange and Tom Castenmiller (ASML) will address the role of systems engineering and discuss the essences of the roadmapping process, the holistic system design and the product generation process. Register now for free.

De organen-op-chip-trend is een natuurlijk vervolg op de traditionele 2D-weefselkweek. Van oudsher gebruiken onderzoekers een plastic petrischaaltje met een voedingsbodem om het gedrag van cellen te bestuderen. Vaak is dit echter geen goed model van de biologische situatie. Omdat de cellen op het platte vlak 3D-interacties met hun buren en hun natuurlijke omgeving missen, blijven ze ongebreideld delen in plaats van dat ze ‘rijpen’ tot functionele cellen.

Daarom zijn onderzoekers in de jaren negentig gaan experimenteren met manieren om deze 3D-omgeving na te bootsen. En met succes. Wanneer cellen ín een gel kunnen groeien die de natuurlijke omgeving nabootst, ontwikkelen ze zich heel anders. ‘Je ziet dat ze klompjes gaan vormen, sferoïden. Die hebben een vrij constante grootte en als je ze weken tot maanden blijft kweken, worden ze biologisch steeds relevanter’, verklaart Joore.

Maar deze klompjes zijn nog altijd maar één celtype, terwijl organen hun werk doen door verschillende celtypes in één structuur te laten samenwerken. ‘In de nier zit bijvoorbeeld een stukje met cellen die actief stoffen uit het bloedvat halen en aan de andere kant afgegeven aan een urinekanaal’, geeft Joore als voorbeeld – niet geheel toevallig, want Mimetas heeft net een belangrijke wedstrijd gewonnen van een aantal farmaceutische bedrijven om een niermodel te ontwikkelen. ‘Niertoxiciteit ontstaat met name op dat punt. Als die cellen gifstoffen of geneesmiddelen met giftige bijwerkingen uit het bloed proberen te halen, lijden ze daar zelf ook onder.’

Muurtjes

Het Mimetas-model brengt het kweken van cellen in een 3D-omgeving samen met een gestructureerde ‘weefsel’-opbouw. Het bestaat uit drie parallelle microfluïdische lanen: links ligt een hol kanaal dat bekleed is met bloedvatcellen om het bloedvat na te bootsen, rechts is op vergelijkbare manier een kunstmatig urinekanaal neergelegd van cellen die gifstoffen van de ene naar de andere kant pompen. Daartussenin kunnen, ingebed in een gel, nog andere celtypen worden toegevoegd.

Een phaseguide, een drempeltje waar vloeistoffen achter blijven hangen, kan een microfluïdisch kanaal in verschillende lanen scheiden zonder dat er een barrière tussen zit. Mimetas bootst zo weefsels na met cellen in een gel, en bloed met medium dat erlangs stroomt.

De sleuteleigenschap van het model is dat de kanalen in open verbinding met elkaar staan, zonder membraan of andere afscheiding die diffusie in de weg zit. Dat is te realiseren door met phaseguides parallelle banen af te bakenen in een breed kanaal; vloeistof zal tussen deze drempeltjes blijven, en wanneer een materiaal wordt gebruikt dat uithardt tot gel, kunnen ‘muurtjes’ worden neergezet. Het aantal kanalen hoeft ook niet beperkt te blijven tot drie. Voor een levermodel heeft Mimetas bijvoorbeeld een systeem ontwikkeld met twee verschillende cellagen tussen de kanalen.

De microfluïdische aanpak biedt nog een aantal andere voordelen. Doordat de ‘organen’ over ‘bloedvaten’ beschikken, worden voedingsstoffen en zuurstof continu ververst en afvalstoffen afgevoerd. Dat maakt het systeem uitermate geschikt om cellen langdurig te kweken en uit te laten rijpen. Maar ook om langetermijneffecten van geneesmiddelen te testen.

Een ander voordeel zijn de kleine hoeveelheden. De kanaaltjes hebben een volume van slechts rond de vijftig nanoliter. Vergeleken met een traditionele proef is daardoor slechts een fractie van het aantal cellen nodig, een groot pluspunt bij het uitvoeren van grootschalige screenings.

Daarnaast zijn de cellen ook nog eens makkelijker terug te vinden onder een microscoop omdat de hoogte van het kanaal beperkt is – bij Mimetas standaard 120 micrometer. Bij een traditionele voedingsbodem moeten de cellen worden gezocht in een gebied van enkele millimeters dik. Opnieuw een belangrijk voordeel voor grootschalige screenings.

Het snelle marktsucces is echter niet alleen te verklaren uit deze voordelen. Er zijn ook andere bedrijven die organen-op-chip-oplossingen bieden die niet het succes van Mimetas genieten. Dat komt vooral doordat de Leidenaren zich op een essentieel onderdeel hebben gericht: de gebruikersinterface. Wie op organ-on-a-chip googelt, krijgt typische microfluïdica-afbeeldingen: glazen plakken met kanaaltjes erin, aangesloten op rubberen slangetjes die naar externe pompen en reservoirs leiden.

Mimetas wilde echter een systeem dat in een normale workflow van microbiologen en farmaceutische onderzoekers past. Dat probleem heeft het opgelost door de infrastructuur te ‘kapen’ van de well plate: een kunststof plaat met doorgaans 96 gaatjes van enkele millimeters in doorsnee die allemaal als kweekbakje gebruikt kunnen worden, waarbij bijvoorbeeld in elk gaatje een andere concentratie van de onderzochte stof wordt gepipetteerd. Rond deze standaard platen is een uitgebreid ecosysteem ontstaan. Farmaceuten kunnen grootschalige screenings automatiseren doordat er dankzij het standaard formaat machines zijn ontwikkeld die aan de lopende band verdunningsreeksen pipetteren, robots die de platen in een stoof kunnen opbergen en geautomatiseerde microscopen die de cellen in beeld kunnen brengen.

Mimetas Organoplates
Van de bovenkant lijken de Mimetas-systemen normale well plates die gebruikt worden voor celkweken. Aan de onderkant zitten echter microfluïdicakanalen die verschillende putjes met elkaar verbinden.

De Leidenaren hebben hun systemen dezelfde vorm gegeven als deze well plates. Alleen wie goed kijkt, ziet dat er in het glas aan de onderkant haarfijne lijntjes zijn geëtst. ‘Dit is dus een drop-in-product voor de farmaceutische industrie en het biomedisch onderzoek’, stelt Joore.

Wel worden de platen iets anders gebruikt. Normaal is elk gaatje een kweekkamer, maar Mimetas gebruikt de wells om de microfluïdische kanalen aan te sturen. In de simpelste platen – het bedrijf heeft een aantal standaard uitvoeringen – met één gel- en één stromend kanaal zijn vier gaatjes per model nodig: een om de gel aan het begin van het experiment in het kanaal te laten lopen, twee om vloeistof door het andere kanaal te laten stromen en dan nog een om het systeem met de microscoop te bestuderen. Bij complexere platen met meerdere kanalen zijn er meer gaatjes per ‘orgaan’ gereserveerd.

Ook moest het bedrijf een oplossing vinden voor de eis dat alles zonder randapparatuur moest werken. Een sleuteleigenschap van de organen-op-chips is dat er van alles stroomt, maar het aansluiten van slangen op tientallen of honderden platen die ook nog eens in een kweekruimte staan, past niet bij de bestaande manier van werken.

De oplossing bleek verrassend simpel: door slechts een gaatje te vullen, stroomt de vloeistof dankzij de zwaartekracht vanzelf door het kanaal naar het andere gaatje. Door de platen op een wipwap te zetten die om de paar uur omklapt, blijft het medium tussen de twee compartimenten heen en weer stromen. ‘Dat klinkt een beetje stom, maar het is een enorm voordeel. Je kunt gewoon honderd platen in een warme stoof zetten waar die cellen kunnen groeien, en het draait helemaal zelfstandig. Zo’n wipwap is een standaard apparaat, hoewel ze normaal worden gebruikt om vloeistoffen in beweging te houden. Wij laten ze dus een beetje aanpassen zodat ze maar eens in de twee uur omklappen’, legt Joore uit.

Mimetas bloedvat
Hoewel de lanen met verschillende weefsels in een plat vlak naast elkaar liggen, vormt elke laan zelf een driedimensionale structuur.

Coca-Cola-geheim

Het businessmodel van Mimetas is om orgaanmodellen in licentie te geven aan farmaceuten en onderzoekers. De platen zijn dus niet bedoeld voor de losse verkoop. ‘Wij willen eigenlijk meer een biotechbedrijf dan een microfluïdisch bedrijf zijn. Maar wel heel nadrukkelijk bio-téch; wij koppelen biologie aan technologie’, verduidelijkt Joore.

Zijn bedrijf heeft twee manieren om de modellen aan de man te brengen. De eerste is om op verzoek van een klant een modelsysteem te ontwikkelen voor een weefsel, orgaan of ziekteproces. ‘Stel iemand wil een geneesmiddel maken tegen MS, ik noem maar wat, dan ga je dus werken aan een model met neuronen. Dat is voor die geneesmiddelenontwikkelaar een competitief onderdeel, dus die wil dat model graag een tijdje voor zichzelf houden.’

De andere route is eigenlijk precies het tegenovergestelde, de precompetitieve modellen. ‘Die zijn vooral bedoeld om te kijken naar giftige eigenschappen van geneesmiddelen en te meten aan transportprocessen. Farmaceuten zouden eigenlijk het liefst hebben dat juist iedereen die gebruikt. Die ontwikkelen we met name in huis.’

Voor de ontwikkeling van de modellen is Mimetas niet beperkt tot de standaard platen in zijn assortiment. Dit voorjaar opende het Leidse bedrijf een productielijn in de High Tech Factory, de voormalige Mesa+-cleanroom in Enschede die nu voor het bedrijfsleven wordt ingezet. Met deze lijn kan het middelgrote volumes produceren, maar ook heel eenvoudig experimenteren met nieuwe ontwerpen. ‘Stel dat je behoefte hebt aan een vijflaans ontwerp, dan zouden we dat nu kunnen tekenen, heb je morgen een prototype en volgende week een paar honderd stuks. En tienduizend zouden we ook kunnen maken met dezelfde technologie’, zegt Joore. Hij moet een beetje op zijn tong bijten om er niet te veel over te vertellen. ‘Maar dit is echt ons Coca-Cola-geheim. We hebben uit verschillende oplossingsrichtingen geshopt, maar het is dusdanig geheim dat we zelfs niets zeggen over de apparatuur die daar staat.’

Ideeën voor nieuwe ontwerpen zijn er in ieder geval genoeg – de meeste rond andere manieren om phaseguides in te zetten. Met de geometrie en hoek in het kanaal zijn parameters als de doorbreekdruk te bepalen. ‘Daardoor kun je vrij ingewikkelde conditionele routing voor elkaar krijgen, volledig passief. Wij zouden op deze manier bijvoorbeeld geautomatiseerde verdunningsreeksen op de platen kunnen maken’, aldus Joore. Maar ook volledig andere microfluïdische toepassingen behoren tot de opties: ‘We zijn nu met een aantal bedrijven aan het praten over microfluïdica die niks te maken heeft met organen-op-een-chip. We weten nog niet of dat in Mimetas komt of daarbuiten, maar het zou stom zijn om het niet te doen; het is gewoon een toepassing die hoort bij die phaseguides en anders zal een mindere technologie het straks wel doen.’

Ook wat betreft organen-op-chip liggen er duidelijke plannen – of in ieder geval dromen. Joore en Vulto zien een belangrijke toekomst voor personalised medicine, het idee om af te stappen van een algemene behandeling voor een specifiek ziektebeeld en in plaats daarvan een strategie uit te werken op basis van moleculaire metingen. Vooral voor kanker is dit sterk in opkomst; de laatste jaren wordt het steeds duidelijker dat de behandeling eigenlijk gebaseerd moet worden op specifieke genetische kenmerken, niet op een indeling van de tumor naar plaats en uiterlijk. Joore: ‘Daarvoor kun je moleculaire tests doen, maar idealiter zou je willen kijken naar het gedrag van cellen: tumorcellen uit een patiënt halen, blootstellen aan geneesmiddelen en kijken of ze het juiste effect hebben. Dat is een beetje de horizon van Mimetas.’