Cellen bewegen tijdens allerlei processen. Maar hoe kun je die celbewegingen meten? Een internationaal team, geleid door universitair docent Daan Vorselen (Wageningen UR), heeft hydrogelmicrodeeltjes ontwikkeld die je met cellen kunt incuberen en zo helpen bij het in kaart brengen van de bewegingen in drie dimensies, wat tot nu toe niet mogelijk was.

‘In ons lab willen we uitvinden hoe immuunprocessen werken’, zegt Vorselen, die van huis uit biofysicus is. Desondanks gebruikt hij chemische strategieën om de immuuncellen aan de tand te voelen. ‘We kijken voornamelijk naar hoe die cellen omgaan met targets in verschillende vormen en maten. Hoe verandert dat hun gedrag?’

Opeten

Het principe dat Vorselen en collega’s hanteren – hydrogels gebruiken om de bewegingen vast te leggen – is niet per se nieuw. ‘Op dat grensgebied van de biofysica zie je dat deze techniek vooral wordt ingezet om cellen op een 2D-oppervlak te laten bewegen.’ Je maakt dan eerst een hydrogel, waarin je nanodeeltjes verwerkt. Als er dan een cel overheen beweegt, dan vervormt de gel en bewegen de nanodeeltjes. Met informatie van de mechanische eigenschappen van de hydrogel kun je dan bewegingen en krachten berekenen.

‘Dat gebeurt ook met immuuncellen, maar dat is een beetje gek’, vervolgt Vorselen. ‘Een immuuncel kan geen 2D-oppervlak “opeten”. Toen we dit soort studies zagen, dachten we, kan dat niet met balletjes?’

Krachtsensoren

Een mooi idee, maar de uitvoering was lastiger gezegd dan gedaan. ‘We zagen al snel dat dit uitdagend zou worden’, vertelt Vorselen. Twee grote uitdagingen hielden de onderzoekers zoet: de synthese van de microdeeltjes en hoe je uit de vervorming de kracht kunt halen.

De twee uitersten – deeltjes van 100 µm en groter en nanodeeltjes – zijn redelijk eenvoudig te maken. ‘Maar wij wilden deeltjes van 10 µm en kleiner, en dat is een lastige grootte.’ Met een emulsificatieproces en een microfluïdische multikanaal-membraan gemaakt door een het kleine Japanse bedrijf SPG Technology lukte het om miljarden uniforme balletjes te maken.

Die balletjes fungeren dus als krachtsensoren. ‘Het is geen chemisch maar een elasticiteitsvraagstuk’, legt Vorselen uit. ‘Als je een bal samenknijpt of juist uit elkaar trekt, creëer je vrijwel dezelfde vorm, dus hoe kun je op basis van enkel de vorm uitrekenen welke krachten erop worden uitgeoefend? Dat ging mijn pet te boven, dus werkten we samen met werktuigbouwkundigen aan Stanford, Yifan Wang and Wei Cai .’

Perfecte gok

Maar ondanks de uitdagingen, hadden ze ook ‘een enorm mazzeltje’. Vorselen: ‘Je moet ook bepalen hoe stijf je zo’n deeltje maakt, zodat het zowel vervormt als ook nog wordt opgegeten door de immuuncel. Onze eerste rigiditeitsgok bleek perfect! Dat scheelde enorm, want dit had ook weken of maanden tijd kunnen kosten.’

Pas toen ze de deeltjes onder de microscoop zagen vervormen, wisten de onderzoekers zeker: dit gaat ergens naar toe. ‘Tot dan toe was het speculatie. Het bouwt voort op werk dat ik tijdens mijn postdoc bij Julie Theriot [coauteur, University of Washington, red.] heb gedaan en je moet dat toch steeds in andere labs weer werkzaam krijgen. Maar mijn promovendi Alvja Mali en Youri Peeters is het ook gelukt, terwijl er voorheen dingetjes waren die we per ongeluk goed deden. Daarom is het zo mooi dat we het nu in een protocol hebben kunnen gieten, zodat we anderen die hiermee willen werken op weg kunnen helpen.’

Het grote voordeel van deze techniek is dat je niet alleen de krachten kunt zien die parallel staan aan het oppervlak, maar ook de normaalkrachten, iets wat voorheen niet mogelijk was. Vorselen: ‘We zien dat de cellen de deeltjes knijpen, als een soort wurgslang of touwtje die eromheen zit. Dat is iets wat we niet hadden verwacht en we snappen ook nog niet helemaal waarom ze dat doen.’

Biomarker

Er liggen interessante toepassingen in het verschiet. ‘Denk bijvoorbeeld aan een screeningtool’, zegt Vorselen. ‘In ander werk is aangetoond dat hoe meer kracht een immuuncel uitoefent, hoe beter het is in het doden van kankercellen. Kracht zou daarvoor als biomarker kunnen dienen: deze immuuncel oefent veel kracht uit en is dus effectief.’

Daarvoor moet de throughput nog wel omhoog. ‘Om één cel te analyseren heb je nu een kwartier nodig. Om dat te versnellen zou je bijvoorbeeld wat details in kunnen leveren, zodat je met een simpelere meetmethode sneller kunt meten.’

Mali, A., Peeters, Y. et al. (2025) Nat Protoc, DOI: 10.1038/s41596-025-01281-2