Jaarlijks sterven wereldwijd miljoenen mensen door acute systemische ontstekingsziektes; ernstige ontstekingsreacties die het lichaam volledig uit de bocht laten vliegen. Een voorbeeld is sepsis, een levensbedreigende bacteriële bloedbaaninfectie die moeilijk door het immuunsysteem in toom te houden is. Het probleem is dat het immuunsysteem bij dit soort infecties ontregeld raakt. ‘Hierbij spelen cytokinen, signaalstoffen die zorgen voor een cascade aan reacties, een belangrijke rol’, zegt immunoloog Marien de Jonge van het Radboudumc. ‘Het overactieve immuunsysteem zorgt voor ernstige inflammatie, wat kan leiden tot orgaanuitval. Dat probeert het immuunsysteem te compenseren met een anti-inflammatoire respons, een soort verlamming van het immuunsysteem. Maar als die te lang doorzet, ben je weer verhoogd kwetsbaar voor ziekenhuisinfecties of latente virussen die ineens de kans krijgen om ernstige ziekten te veroorzaken.’ 

Timing 

Om de juiste medicatie op het juiste moment toe te kunnen dienen, moet je weten wanneer een patiënt in welke toestand verkeert. Biomarkers die de mate van ontsteking weerspiegelen, geven aan of het lichaam zich in een pro- of anti-inflammatoire toestand bevindt. Helaas zijn de huidige technieken om de wisselende biomarkerniveaus te meten tijdrovend en veel ziekenhuizen hebben ze simpelweg niet in huis. De Jonge: ‘Er zijn al veel medicijnen tegen acute inflammatieziektes getest, maar de meeste daarvan laten weinig tot geen effect zien, zeer waarschijnlijk omdat we niet goed genoeg kunnen bepalen op welk moment we ze moeten toedienen. Het is dus niet gezegd dat deze medicatie niet zou kunnen werken; het zou wel eens de timing van de toediening kunnen zijn die het effect bepaalt.’ 

Vanwege dit gebrek aan tijdige informatie kunnen ziekenhuizen zich enkel aan algemene behandelrichtlijnen houden, terwijl iedere patiënt anders is. Daardoor krijgt een deel van de patiënten behandelingen die naderhand niet nodig blijken te zijn of in het ergste geval zelfs schadelijk uitpakken. ‘Als we nu een sample van een IC-patiënt krijgen, dan geven wij binnen 24 uur een meetuitslag terug’, zegt De Jonge. ‘Maar dat duurt natuurlijk veel te lang voor een patiënt in zo’n kritieke toestand.’ Daarom richten onderzoekers zich op de ontwikkeling van continue biosensoren – kleine apparaatjes die voortdurend biomarkers monitoren, als een doorlopende vinger aan de pols. ‘Met een sensor die aangeeft wanneer we welke medicijnen moeten toedienen, kunnen we levens redden.’ 

Sandwich 

Waar continue sensoren in de fysica een algemeenheid zijn —denk aan het meten van licht, temperatuur, enzovoort — ligt dat in de biochemie anders. Aan de Technische Universiteit Eindhoven werkt biofysicus Menno Prins met zijn groep aan een van de grootste uitdagingen waar continue biosensoren momenteel voor staan: het meten van biomoleculen bij hele lage concentraties. ‘Bloed zit vol met verschillende biomarkers, en slechts een piepklein deel daarvan zijn de inflammatoire stofjes die je wilt meten’, zegt Prins. ‘Wij werken aan biosensoren die deze picomolaire concentraties kunnen oppikken.’ 

’De overgang van beweeglijk naar minder-beweeglijk vormt het basissignaal van de sensor’ 

Menno Prins, TU Eindhoven 

Om dit te bereiken ontwikkelen Prins en collega’s een sensor-techniek die gebruik maakt van microscopie en bewegende deeltjes. Ze functionaliseren de deeltjes met biomoleculen die de gewenste biomarkers kunnen binden. Deze deeltjes hechten ze met een moleculair ‘kabeltje’ aan een sensoroppervlak, dat eveneens is gefunctionaliseerd met biomoleculen. Als vervolgens biomarkers de sensor instromen, kunnen ze zowel aan een bewegend deeltje als het sensoroppervlak binden en ingeklemd raken tussen beide. ‘Deze moleculaire sandwich is heel compact en heeft een lengte van twintig tot dertig nanometer’, zegt Prins. ‘Een enkele moleculaire sandwich zorgt ervoor dat de Brownse beweging van een deeltje sterk afneemt. We meten de overgangen van beweeglijk naar minder-beweeglijk en dat vormt het basissignaal van de sensor.’ Met relatief eenvoudige microscopie meet de sensor de beweeglijkheid van duizenden deeltjes als functie van de tijd. Waar de deeltjes bij een lage concentratie biomarkers grotendeels vrij blijven, ontstaan bij een hoge concentratie regelmatig sandwich-bindingen die na verloop van tijd ook weer loslaten. Prins: ‘De signalen zijn stochastisch, want het vormen en verbreken van moleculaire bindingen zijn stochastische processen. Precies daarin zit de nauwkeurige informatie verborgen over de concentraties van de biomarkers.’  

Goudlaagje 

Tegelijkertijd bouwen onderzoekers van de KU Leuven aan een continue biosensor die leunt op een heel ander principe. Postdoc Annelies Dillen, lid van de Biosensorengroep van bio-ingenieur Jeroen Lammertyn, werkt er aan een sensor die gebruik maakt van surface plasmon resonance (SPR). Deze optische techniek meet het gereflecteerde licht aan een oppervlak – doorgaans een dun laagje goud – waaraan moleculen kunnen binden. Hierbij is het gereflecteerde licht afhankelijk van het aantal gebonden moleculen, waardoor de binding aan het oppervlak label-vrij en in real-time te volgen is. 

De sensor bestaat uit een kleine optische vezel – soortgelijk aan wat we voor het internet gebruiken – die enkele millimeters lang en 400 micrometers breed is. Dit dunne filament is bedekt met goud voor de inzet van SPR. Hierop plaatsen de onderzoekers zogeheten nanoswitches, bestaande uit goudpartikels van 20 tot 40 nanometer die aan het oppervlak gehecht zijn met flexibele DNA-linkers waar biomarkers aan kunnen binden. Wanneer biomarkers aan deze DNA-draadjes ‘klikken’, verandert de afstand van het gouddeeltje tot het oppervlak. ‘Door licht in de vezel te sturen en het gereflecteerde licht te meten, kunnen we deze bindingen kwantificeren’, zegt Dillen. ‘Het gereflecteerde licht hangt namelijk af van de afstand tussen de goudpartikels en de vezel. Zo meten we een signaal dat afhankelijk is van de biomarker-concentratie.’ 

‘Je gevoeligheid limiteert de snelheid van de respons’ 

Annelies Dillen, KU Leuven 

Hoewel deze sensor minder gevoelig is dan die uit de groep van Prins, is die vanwege de relatieve eenvoud (zonder microscopie) makkelijk in verschillende omgevingen te brengen. Zo is de SPR-sensor onder te dompelen in een sample, een microfluïdische chip of een bioreactor. Dillen: ‘Daarmee heeft elke soort continue biosensor andere mogelijke applicatievelden.’ 

Kalibreren 

Ondanks dat de ontwikkeling van continue biosensoren al een aardig eind op weg is, is er volgens Prins nog een lange weg te gaan. Accuraatheid, precisie, snelheid,… — allemaal eigenschappen waar nog hard aan valt te werken. Met name de kalibratie vereist nog een paar technologische vindingen. ‘Zo moet een sensor op de huid heel klein zijn, waardoor je geen plek hebt voor complexe pompjes’, zegt Prins. ‘Maar hoe ga je dan voor een lage concentratie kalibreren of de sensor juiste waardes geeft? Dat antwoord heb ik nog niet. Ik ben heel benieuwd wie die noot gaat kraken.’ Daarnaast staan continue biosensoren voor een complexe afweging, namelijk tussen de gevoeligheid en de snelheid waarmee een verandering in concentratie valt vast te stellen. ‘Hoe sterker je biomarker bindt, des te groter je gevoeligheid maar ook hoe langer het duurt om een nieuw evenwicht te bereiken’, zegt Dillen. ‘Je gevoeligheid limiteert daarmee de snelheid van de respons. De manier waarop je je sensor bouwt is daarom sterk afhankelijk van de gewenste toepassing, zoals welk molecuul je wilt meten en wat daar de noden van zijn.’ 

Cirkel 

Ook om de overstap naar het ziekenhuis te maken zal de continue biosensor aan lastige eisen moeten voldoen. Zo moet de sensor zowel praktisch als digitaal veilig zijn, betaalbaar voor de gezondheidszorg, en mensen moeten in staat zijn om ze te gebruiken. ‘Deze overstap gaat lang duren, en dat is ook logisch’, zegt Prins. ‘Kijk maar hoe lang het heeft geduurd om de glucosesensor toe te passen in de maatschappij. De basisuitvindingen achter de sensor dateren uit de jaren negentig, maar in Nederland zijn de toepassingen pas tien à vijftien jaar geleden begonnen. En nu zie je mensen over het strand lopen met zo’n sensor.’ Dillen is het hier mee eens: ‘Ik denk daarom dat een eerste toepassing van onze sensor niet in de gezondheidszorg zal zijn, maar eerder rondom productie in bioreactoren of dergelijke.’ 

’Het zou wel eens de timing van de toediening kunnen zijn die het effect van medicijnen bepaalt’

Marien de Jonge, Radboudumc 

Voordat de biosensor voor acute systemische ontstekingsziekten in te zetten is, ligt er nog een vraag op tafel welke biomarkers geschikt zijn om te meten. Ook aan de biomarker worden eisen gesteld. Zo moet deze voldoende verschillen in concentratie tussen ziekte en gezondheid, en genoeg fluctueren over de tijd om inzicht te geven in de kinetiek van de immuunrespons. ‘Idealiter heeft de biomarker een korte halfwaardetijd’, zegt De Jonge. ‘Bij een te lange halfwaardetijd geeft de biomarker geen accurate informatie over de actuele toestand van de patiënt.’ 

Vanwege hun korte halfwaardetijd zouden cytokinen een ideale biomarker kunnen zijn om de activiteit van cellen te reflecteren. Maar dat is pas te bevestigen zodra onderzoekers ze onophoudelijk kunnen meten. De Jonge: ‘Zolang we geen methode hebben om continu te meten, weten we ook niet hoe dynamisch het systeem is. En juist die informatie hebben we nodig om te bepalen hoe gevoelig de sensor moet zijn. Dat is een beetje de cirkel waarin we voorlopig ronddraaien.’