Print deze pagina 6 mei 2003 2003/05

Biotechnologie met bellen

Belletjes in een vloeistof kunnen de kracht van ultrageluid versterken en focusseren tot op de duizendste millimeter. Dit biedt perspectieven om met behulp van ultrageluid medicijnen ín cellen te deponeren. FOM-onderzoeker Philippe Marmottant en universitair docent Sascha Hilgenfeldt, beiden werkzaam in de groep van Detlef Lohse aan de Universiteit Twente, hebben voor de eerste keer met behulp van hoge-snelheidsfotografie de wisselwerking tussen een enkele bel en een enkele cel waargenomen. Ze hebben ook een theorie weten te ontwikkelen die de waarnemingen goed beschrijft. Hun bevindingen publiceren ze in Nature van 8 mei aanstaande.

Een steeds groter wordende uitdaging in de medische wereld vandaag de dag is het toedienen van medicijnen in gecontroleerde hoeveelheden op specifieke plaatsen in het menselijk lichaam. Artsen dienen alleen de noodzakelijke hoeveelheid medicijn toe tot de juiste menselijke cellen. Dit is zeer gecompliceerd, omdat de eerste stap tot het toedienen van het medicijn (net als bij de nauwverwante analogie, gentransfectie, bij gentherapie) het perforeren en openbreken van de celwanden is. Dit is een onontkoombaar en zeer gewelddadig proces dat mogelijk schade tot gevolg heeft. Een externe kracht is nodig om de grote moleculen, zoals medicijnmoleculen en genen, door het celmembraan te laten dringen. Onder andere elektrische velden, afschuifspanningen op substraten of de botskracht van nanobollen leveren deze externe krachten. Recentelijk is 'ultrasonic forcing' voorgesteld als alternatief.

Bellen als actuatoren
Ultrageluid op zich is niet echt geschikt voor het penetreren van celwanden. Maar de arbeid van ultrageluid kan worden versterkt en gefocusseerd tot op micrometer lengteschalen nauwkeurig door het gebruik van belletjes als actuatoren. Onderzoekers hebben levende cellen dicht in de buurt gebracht van enkele micrometers grote bellen, die zeer sterk reageren op ultrageluid. De bellen ondergaan grote radiale oscillaties en klappen gewelddadig ineen. De bewegingen van de bel zorgen ervoor dat krachten op nabijgelegen cellen ontstaan. Deze bellen worden op dit moment algemeen ingezet als contrastmiddel in ultrageluidechografie. In de laatste paar jaren zijn het toedienen van medicijnen en gentransfectie gedemonstreerd door middel van deze combinatie van ultrageluid en microbellen. Desondanks begrijpen wetenschappers het precieze mechanisme achter deze bel-celinteractie niet goed. Tevens was het niet eenvoudig de hoeveelheid transfectie (en de hoeveelheid schade aan de cellen) te controleren.

Interactie tussen bellen en cellen
Onderzoekers van de Universiteit Twente kijken op een natuurkundige manier naar deze problemen. Het onderzoek is onderdeel van het FOM-project 'Ultrasound contrast agents: a new tool for diagnostics and therapy'. Voor de eerste keer is het elementaire proces van interactie tussen bel en cel geïsoleerd en vastgelegd met hoge-snelheidsopnames. In het experiment zijn, door de mechanische complexiteit van de cellen, de cellen vervangen door blaasjes, 'kunstmatige cellen', die alleen bestaan uit water omgeven door een lipide membraan. De Twentenaren stellen deze blaasjes bloot aan de oscillerende bellen, gepositioneerd op een glazen oppervlak (figuur 1). De bellen en blaasjes hebben beide een diameter rond de 20-100 micrometer. Hoge-snelheidsfilms, verkregen via een microscoop, laten zien dat de blaasjes hevig bewegen vlakbij de bel. In dit proces vervormen de blaasjes sterk en als de amplitude groot genoeg is, breken de lipide membranen open (figuur 2).

Het voordeel van het huidige experiment is dat de onderzoekers alle aspecten kwantitatief kunnen controleren en begrijpen. Verrassend genoeg is de amplitude van de radiale oscillatie van de bel die nodig is om het blaasje te vervormen en open te breken, niet groot -slechts een paar procent van de straal van de bel. Doordat er geen heftig inklappende bellen zijn, konden de Twentse onderzoekers een kwantitatieve theorie voor dit fenomeen ontwikkelen: de oscillatie van de bel zorgt voor een stabiele stroom rond het blaasje genaamd 'acoustic streaming'. Het membraan van het blaasje voelt de mechanische krachten veroorzaakt door de snelheidsverschillen in de stroom en wordt daardoor vervormd of opengebroken. De waargenomen stroomsnelheden en de vervormingen van het blaasje passen goed in deze theorie.

Fundament
Met deze publicatie leggen de onderzoekers het fundament voor meer experimenten op dit gebied: onlangs hebben ze met dezelfde opstelling aangetoond dat ze levende cellen kunnen doorprikken en dat ze met kleinere belletjes van slechts een paar micrometer in diameter dezelfde effecten kunnen bereiken. De Twentse onderzoekers worden steeds bekwamer in het manipuleren van enkelvoudige cellen of blaasjes, want ze kunnen de blaasjes bewegen, vervormen of openbreken zoals zij het willen. Het gebruik van de ultrahoge-snelheidscamera 'Brandaris 128' zal leiden tot een gedetailleerd begrip van deze processen. Deze pas opgeleverde camera kan 128 beeldjes opnemen met een maximale snelheid van 25 miljoen beeldjes per seconde. In dit andere deel van het FOM-project werken Marmottant en Hilgenfeldt nauw samen met de echocardiografie groep van het Erasmus Medisch Centrum van Nico de Jong in Rotterdam.

Mogelijke toepassingen, naast het toedienen van een medicijn, liggen op het vlak van de celhomogenisatie (een 'zachtaardige' manier om cellen open te breken), cytometrie (bijvoorbeeld het onderscheid maken tussen normale cellen en kankercellen door hun vervorming), of 'microfluidics' (gecontroleerd transport van cellen of blaasjes voor chemisch of mechanisch onderzoek). Kortom, er opent zich een wereld van mogelijkheden in de biotechnologie met bellen.

Voor de redactie:
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr. Philippe Marmottant, telefoon (053) 489 24 86 of
dr. Sascha Hilgenfeldt, telefoon (053) 489 25 68.