tekst zorgt nanotechnologie voor een revolutie in de

Zorgt nanotechnologie voor een revolutie in de
gezondheidszorg?
Uit Imec magazine Juli 2014 *
Over heel de wereld zoeken wetenschappers naar oplossingen voor de
gezondheidsproblemen van de komende jaren. Hoe gaan we de ziektes
behandelen waarmee onze verouderende bevolking te kampen krijgt (zoals
hersenziektes, kanker en diabetes)? Hoe kunnen we een goede levenskwaliteit
en een langer leven verzoenen met elkaar? En hoe kunnen we een goede
gezondheidszorg garanderen voor iedereen op deze planeet?
Siliciumtechnologie – de basistechnologie voor de productie van computerchips
– kan hier zeker zijn steentje toe bijdragen. Deze technologie maakt het immers
mogelijk om revolutionaire ultrakleine toestellen en meetinstrumenten te
maken. Instrumenten die voor een betere diagnose en behandeling kunnen
zorgen en die voor iedereen toegankelijk zijn, vertelt Liesbet Lagae, R&D
manager life science technologies bij imec.
Betere testen, meer testen
Bij het onderzoek naar oplossingen voor onze gezondheid draait alles vandaag rond het
individueel behandelen van patiënten. We hebben niet alleen nieuwe testen nodig die
accurater zijn dan de huidige; we moeten het testen van patiënten ook vele malen sneller en
goedkoper maken. Zodat we patiënten op elk gewenst moment kunnen testen om bv. de
behandelingen nauwkeurig op te volgen. Maar dit alles moet kunnen zonder meerkost,
aangezien het budget voor gezondheidszorg nu al wereldwijd zwaar onder druk staat.
Dit is een kans en een uitdaging voor silicium chiptechnologie.
Al decennia lang maken we computerchips die steeds complexer, meer performant, maar
tegelijk ook goedkoper worden. En tijdens dat onderzoek naar betere computerchips hebben
onderzoekers ook geleerd hoe silicium te laten werken met licht (silicium fotonica), hoe
siliciumoppervlakten biocompatibel te maken, en hoe uiterst kleine structuren (nanometers!)
te maken voor onder andere microfluïdica. En dit alles op basis van een relatief goedkoop
productieproces.
Vandaag zijn we in staat om siliciumstructuren te maken ter grootte van cellen en
biomoleculen. De volgende stap is nu om silicium en biologie ook echt samen te brengen.
Bedrijven zijn erg geïnteresseerd in de resultaten die we in het lab verwezenlijken, en de
eerste producten zijn al commercieel beschikbaar. Toestellen voor DNA-sequencing,
compacte
diagnostische
testen
met
wegwerp-fotonicachips,
sensoren
om
lichaamsparameters te monitoren, probes voor hersenstimulatie ...
Veel jonge ingenieurs die vandaag afstuderen kennen de multidisciplinaire aanpak nodig voor
dit soort toepassingen. Ze kennen silicium procestechnologie én hoe het van belang kan zijn
voor de gezondheidszorg. Ze kunnen perfect de brug maken tussen de medische wereld en
die van de nanotechnologie.
Voor de oudere onderzoekers is dat niet altijd het geval. Experten uit de gezondheidssector
zijn zich vaak niet bewust van het potentieel van de nieuwe instrumenten die er aankomen.
En oudere ingenieurs die zeer bedreven zijn in siliciumtechnologie, beseffen niet altijd hoe
deze technologie toegepast kan worden voor de behandeling en diagnose van ziekten.
Onder andere voor die mensen heeft imec academy een cursus uitgewerkt met de titel
‘Nanotech for Health’. Het doel is om geïnteresseerden een update te geven over het crossdisciplinaire onderzoeksdomein biowetenschappen en technologie, een breed domain
waaruit we drie onderwerpen uitlichten die de komende jaren zeer belangrijk zullen worden.
1. Stamceltechnologie en kunstmatige weefselgroei
Stamcellen zijn ‘maagdelijke’ cellen die zich nog niet ontwikkeld hebben tot bv. een longcel,
een bloedvatcel of een oogcel. Onderzoekers spreken van ‘pluripotente’ cellen. Het lichaam
gebruikt die stamcellen bv. om beschadigd weefstel te herstellen. Recent heeft men ontdekt
hoe rijpe gespecialiseerde cellen kunnen worden teruggedraaid tot stamcel. Daarmee wordt
het mogelijk om stamcellen echt in te gaan zetten voor therapieën, bv. om beschadigd weefsel
te herstellen. Zo hopen we dat we ooit diabetespatiënten zullen kunnen genezen door hun
defecte pancreascellen te vervangen door nieuwe, gemaakt op basis van lichaamseigen
stamcellen.
Stamcellen en hun vermogen om weefsel te herstellen zullen een ware revolutie veroorzaken
in de geneeskunde. Maar de praktische implementatie ervan zal tijd vragen. We hebben
nieuwe toestellen nodig om met de stamcellen aan de slag te gaan. Toestellen die het dure en
experimentele labowerk omzetten naar betrouwbare routineprocessen in de ziekenhuizen.
Toestellen bv. die het mogelijk maken om kwalitatieve biologische implantaten te maken.
Een voorbeeld van zo’n toestel waar imec aan werkt is een bioreactor voor geautomatiseerde
monitoring van stamcelculturen. We hebben een lensvrije microscoop-op-chip ontwikkeld die
de ontwikkeling van stamcellen kan opvolgen op basis van een CMOS-beeldsensor en een
lichtbron. De microscoop is zo klein dat hij kan worden geïntegreerd in de bioreactor en zo de
celgroei en differentiatie van de stamcellen kan monitoren. Zo kan het een belangrijk
onderdeel worden van de regeneratieve ‘celfabriek’ van de toekomst. Hetzelfde systeem kan
ook worden gebruikt om cellen van een patiënt te onderzoeken en uit de stroom van cellen
de stamcellen te isoleren, of uitgebreid met microfluïdica en detectie van moleculen om
reacties van cellen en weefsels te bestuderen.
Stamcellen bekeken door lensvrije microscoop (imec)
2. Technologie die praat met hersenen
Elektronica die met zenuwen en hersencellen communiceert, is een andere veelbelovende
toepassing voor de gezondheidszorg.
Dergelijke hersenimplantaten kunnen als therapie worden ingezet. Zogenaamde ‘deep brain
stimulation’ wordt nu al ingezet om bv. de bevingen van Parkinsonpatiënten te verlichten. Het
uiteindelijke doel is om mensen met neurodegeneratieve ziekten of ruggenmergletsels een
beter leven te geven. Maar daarvoor hebben we betere probes nodig, probes die dunner en
plooibaarder zijn en duizenden electroden bevatten
Een andere toepassing van hersenprobes is het onderzoek naar de werking van de hersenen.
Langs welke paden worden signalen in de hersenen verstuurd? Hoe reageren hersenen op
externe impulsen? En hoe wordt dat normale mechanisme verstoord bij neurodegeneratieve
ziekten zoals Alzheimer. Imec zette onlangs een samenwerking op met het Howard Hughes
Medical Institute (USA) om probes te ontwikkelen om de activiteit van hersenscellen te
bestuderen in levende dieren. Probes gemaakt van silicium, met veel meer geïntegreerde
elektrodes en een betere signaalverwerking dan de probes die vandaag beschikbaar zijn voor
dit soort onderzoek. Eens deze op punt staan, zullen we de hersenactiviteit in kaart kunnen
brengen op een ongeziene gedetailleerde manier.
3. Krachtige diagnose, dicht bij de patiënt
De technologie staat al zo ver dat we een enkele afwijkende nucleotide in het menselijk
genoom kunnen opsporen; dat we cellen en virussen kunnen detecteren en tellen; dat we de
3D-structuur van proteïnen in beeld kunnen brengen ... Dit alles kan vandaag, maar dan wel
in gespecialiseerde labo’s met dure toestellen en hoog opgeleid personeel. Als we dit soort
testen naar de huisarts willen brengen, of zelfs naar de patiënt thuis, dan hebben we een
nieuwe generatie testen nodig die betaalbaar, klein, en zeer gebruiksvriendelijk zijn.
Imec’s iLab-concept is een voorbeeld van zo’n nieuwe test. In samenwerking met Johns
Hopkins University (USA) ontwikkelen we wegwerpbare testchips ter grootte van een USBstick. Uiteindelijk is het de bedoeling dat deze lab-op-chip een druppel bloed kan analyseren
en ziektemerkers kan opsporen. Dit moet bovendien lukken in 10 minuten en tegen een prijs
die onder de 10 euro ligt. Zo’n lab-op-chip kan biomedische, mechanische, optische en
elektrische metingen doen, geminiaturiseerd dankzij siliciumtechnologie.
Niet alleen zullen de testen revolutionair veranderen, maar ook de plaats waar de testen
worden uitgevoerd. Een bijkomende reden waarom we ook medische experten moeten
voorbereiden op de technologieën die er staan aan te komen.
*http://magazine.imec.be/data/40/reader/reader.html?t=1443872526250#!preferred/1/package/40
/pub/46/page/0