Jaap den Toonder, hoogleraar Microsystems, ontwikkelt een compleet nieuw systeem om het effect van krachten en stromingen op cellen en weefsels beter te begrijpen. Hij bouwt hiervoor met een speciale laser kunstmatige trilharen, geïnspireerd op trilharen die in de natuur voorkomen. Den Toonder ontvangt een Advanced Grant van 3 miljoen euro van de European Research Council (ERC) om dit onderzoek uit te voeren.
Bijna elk proces in de biologie, van embryonale ontwikkeling tot het functioneren van organen en het ontstaan van ziekten is gestoeld op biomechanische interacties tussen cellen en hun omgeving. Begrijpen we die interacties, dan kunnen we ook bijvoorbeeld het uitzaaien van tumorcellen of het broos worden van botten beter begrijpen. De krachten en stromingen tussen cellen worden vaak onderzocht door vloeistofstromingen na te bootsen met kleppen en pompen, maar daarmee kun je niet de precisie en controle bereiken die nodig zijn om verdere stappen te maken in dit onderzoek.
Gesynchroniseerde beweging
Trilharen inspireerden Den Toonder om een nieuw systeem te bouwen, waarmee je heel precies deze krachten en stromingen in een laboratorium-omgeving kunt beheersen en bestuderen. Trilharen, ofwel cilia, zijn ultradunne microscopische haartjes, die dicht opeengepakt zich bewegen als een menigte die de ‘wave’ doet in een stadion. Cilia komen overal in de natuur voor, ook in ons menselijk lichaam waar ze een belangrijke rol vervullen. Hun gesynchroniseerde beweging helpt bijvoorbeeld slijm uit de longen te verwijderen en vervoert eicellen uit de eierstokken richting baarmoeder. Door te regelen hoe de vloeistof rond een embryo stroomt, zorgen trilhaartjes er zelfs voor dat organen zoals het hart zich aan de juiste kant van het lichaam ontwikkelen.
Net als echte trilharen, moeten de kunstmatige haartjes, na een omgevingssignaal een stroming in een vloeistof kunnen initiëren of mechanische krachten kunnen uitoefenen op hun omgeving. Daarna moeten ze de reactiekrachten vanuit de omgeving kunnen waarnemen. En dat allemaal in hetzelfde haartje. Den Toonder: “De cilia die wij willen bouwen bestaan uit flexibele polymeren met magnetische nano-deeltjes. Door ze te activeren met een elektromagneet, kunnen we de haartjes heel lokaal laten bewegen precies zoals wij dat willen. Daarmee genereren we een stroming in de omliggende vloeistof, of krachten op cellen die we kweken in de nabijheid van de trilhaartjes. De biomechanische respons van de cellen willen we vervolgens heel nauwkeurig meten.”
Mal van glas
De trilharen die Den Toonder wil bouwen zijn maar 10 micrometer lang en niet dikker dan 1 micrometer. Bovendien wil hij de haartjes heel dicht op elkaar plaatsen en ze precies de juiste flexibiliteit meegeven om goed te kunnen bewegen ten gevolge van de magneetvelden.
Om ze te bouwen heeft Den Toonder een gloednieuwe laser nodig met een klein brandpunt en ultrakorte pulsen. De laser schrijft op microschaal zeer precieze structuren in een glasplaat, die vervolgens als mal dient waarmee de cilia door middel van een gietproces worden gevormd. Die haartjes plaatst Den Toonder daarna in een zogenoemde microfluïdische chip, een stukje kunststof met kleine vloeistofkanaaltjes, waarin ook cellen en weefsels kunnen worden gekweekt.
“We kunnen het patroon waarin we de haartjes in de chip aanbrengen variëren. Zo maken we voor elk biomechanisch proces dat we willen bestuderen een specifieke chip. Vergelijk het bijvoorbeeld met een CD en CD-speler. De CD is de chip, deze is uitwisselbaar. De CD-speler is ons hele systeem van electromagneet, aansturing en meetapparatuur,” aldus Den Toonder.
Naast Jaap den Toonder ontvangt ook Erik Bakkers, hoogleraar Advanced Nanomaterials & Devices, een ERC Advanced Grant. Lees hier meer over zijn onderzoek.
Bron: TU Eindhoven
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
