Het Madurodam onder de diagnostische tests

Delftse siliciumchips met honderd minuscule putjes met ingebouwde meetapparatuur liggen over tien jaar misschien wel in elke huisartsenpraktijk. De huisarts moet de chip alleen met een uv-laser bestralen na hem gevuld te hebben met bloed. In elk putje of elke rij putjes zit een ander enzym of antilichaam voor een verschillende test. De meetresultaten worden vanuit elk putje direct naar een computerchip gestuurd en geanalyseerd. Dat levert tijdwinst op voor arts en patiënt.

Ook voor centrale laboratoria zijn er voordelen. Laboranten kunnen de testen daar goedkoper uitvoeren, omdat voor diagnostische testen op chips veel kleinere hoeveelheden dure enzymen of antilichamen nodig zijn dan voor de huidige testmethodes.

,,Met kleine putjes kun je veel meer testen doen voor minder geld”, stelt ir. Rob Moerman van het Kluyverlab voor biotechnologie. ,,Op onze chips vinden reacties plaats in een volume dat meer dan 250 duizend keer kleiner is dan bij de bestaande methodes. Die maken gebruik van plastic platen met putjes van een halve centimeter breed”, zegt dr.ir. Gijs van Dedem, deeltijdhoogleraar op het Kluyverlab. De Delftse putjes zijn niet veel groter dan de omtrek van een haar. ,,Met minder dan een milliliter vloeistof kunnen we de putjes van tienduizenden chips met enzymen vullen.”

Voor bloedtesten is nu bovendien vaak veel bloed nodig. ,,Soms tappen ze nu wel drie verschillende buisjes af. Wij kunnen met minder testmateriaal vaker dezelfde test doen”, aldus Van Dedem. ,,Dat zorgt voor een betrouwbaarder resultaat.”

Werkpaarden

In het Delftse interfacultair onderzoeksinstituut (Dioc) intelligent molecular diagnostic systems werken biotechnologen, elektrotechneuten, fysici en informatici samen aan methodes om in heel kleine volumes experimentjes uit te voeren. Ze werken zelf niet aan bloedtesten. Hun voorlopig al ambitieuze doel is het maken van miniatuur intelligente diagnostische systemen voor het analyseren van enzymconcentraties in vloeistoffen uit een reactorvat met gistcellen. Met zulke informatie kunnen biotechnologen de stofwisseling in gistcellen bestuderen.

Het is de onderzoekers inmiddels gelukt om verschillende biologische moleculen waar de enzymen mee reageren viaminidruppeltjes op een chip te spuiten. Verder hebben de biotechnologen een ingenieuze manier gevonden om een te analyseren vloeistof uit de reactor makkelijk over de putjes te verdelen zonder te titreren. Daar vragen de onderzoekers nu een octrooi op aan. Bovendien hebben ze afdekplaatjes ontwikkeld die ervoor zorgen dat opgespoten vloeistoffen niet al tijdens de gewenste testreactie verdampen.

De fysici van de sectie patroonherkennen ontwikkelden een techniek om de snelheid van de reacties in de tijd te volgen met een microscoop en een speciale camera. Dat werkt goed, maar voor speciale toepassingen kan het interessant zijn om meetapparatuur in de chips in te bouwen, iets waar in het Elektrogebouw hard aan wordt gewerkt.

De elektrotechneuten hebben een volumemeter in de putjes van de chip ingebouwd. Hierdoor kan er in de reactieberekeningen gecorrigeerd worden voor kleine variaties in het vloeistofvolume in de verschillende putjes. Ook proberen ze een fotodiode met het juiste filter in elk putje te plaatsen. Zo’n fotodiode kan het licht meten waarmee een bepaalde biochemische reactie verraadt dat hij plaatsvindt als de chip met uv-licht wordt bestraald.

Het onderzoeksinstituut heeft inmiddels vier octrooien op deze methodes op zak. Samen zijn die ruim zes miljoen gulden waard volgens het Engelse bureau Scientific Generics. Een vijfde octrooi is net ingediend.

Komende anderhalf jaar moeten de ontwikkelde bouwstenen geïntegreerd worden tot een werkend prototype. ,,Met een demonstratiemodel met veertig putjes willen we de industrie dan eens laten zien wat we kunnen”, vertelt dr.ing. Michiel Vellekoop van Dimes.

Levende cellen

Het Dioc van prof.dr. Ted Young bracht de Delftse biotechnologen, fysici en elektrotechneuten nader tot elkaar. ,,Zonder dit Dioc was ik niet met dit soort onderzoek bezig geweest”, stelt Vellekoop. Hij heeft zich als sensorspecialist ineens moeten verdiepen in de chemische reacties die in een gistcel plaatsvinden. ,,We beginnen met het monitoren van een veelvoorkomende reactie in gist”, legt Vellekoop uit. Levende cellen gebruiken namelijk vaak NAD+ of Nadh om waterstofatomen die vrijkomen bij een reactie op te vangen of juist waterstofatomen voor een reactie aan te bieden. Zulke reacties zijn met een fotodiode te volgen doordat deze biologische stof mét waterstof fluoresceert na bestraling met uv-licht, terwijl die stof dat zónder waterstof niet doet. Door de hoeveelheid licht die vrijkomt te meten, kunnen biochemici de concentratie bepalen van de stoffen waar NAD+ of Nadh mee heeft gereageerd.

,,Een fotodiode in een klein putje zetten is voor ons niet zo’n probleem”, vervolgt Vellekoop. ,,Maar we hadden ook een filter nodig dat het uv-licht tegenhoudt waarmee het putje wordt bestraald. De hoeveelheid uitgezonden licht die we willen meten is namelijk bijna verwaarloosbaar klein ten opzichte van de hoeveelheid uv-licht.”

Na gepruts met ingewikkelde filters die uit twee spiegelplaatjes bestaan, bleek uit een computersimulatie van ir. Ventzy Iordanovdat een dun laagje silicium eigenlijk al genoeg is om het uv-licht tegen te houden. De uitdaging is nu om dat filter op de fotodiode aan te brengen zonder dat de daarvoor benodigde hoge temperaturen de diode beschadigen.

Een ander obstakel is dat het licht dat vrijkomt van de biologische moleculen geen hoge intensiteit heeft. Een paar miljoen lichtdeeltjes (fotonen) leveren slechts een klein stroompje van minder dan een nano-ampère. Daarom bouwen de onderzoekers naast elk putje een klein versterkertje.

Het gemeten signaal loopt daarna verder via lijntjes van twee micrometer. ,,Er passen makkelijk vierhonderd van die lijntjes op een chip met putjes. Het probleem is echter dat er op een vierkante centimeter geen vierhonderd contactjes passen die de stroom doorgegeven aan de verwerkende chip. Daarom moeten we slimme manieren met schakelaartjes verzinnen om alle data via minder contactjes door te geven.”

Lopende band

Het vullen van de putjes hebben de biotechnologen al aardig onder de knie. Ze maken een spray van superkleine druppeltjes door een vloeistof via een dunne naald richting de chip te spuiten. Door het elektrische veld dat de onderzoekers aanleggen tussen de punt van de naald en de chip breekt de vloeistofstraal op in druppeltjes. Deze geladen druppeltjes worden aangetrokken door de chip en komen keurig in het juiste putje terecht waar ze een dun laagje vormen.

Voor diagnostische tests kunnen de biotechnologen ook enzymen in de putjes spuiten. ,,Toen we enigszins labiele enzymen op een droog oppervlak spoten beschadigde die in onze eerste experimenten”, stelt Moerman. ,,Waarschijnlijk gebeurde dat doordat de zoutconcentratie rond de enzymen te hoog werd door verdamping van de vloeistof.” Samen met zijn collega’s loste hij dit probleem op door de zoutconcentratie te verlagen, een milde zeepachtige stof toe te voegen en een speciale suiker. Hoe lang de enzymen die overblijven in de ingedampte putjes te bewaren zijn, moeten ze nog uitzoeken.

Het aanbrengen van de verschillende enzymen in de chips voor diagnostische tests is iets voor een specialistisch bedrijf dat ze aan de lopende band kan maken, denkt Moerman. Het proces luistert heel nauw. ,,Het moet gebeuren in een stofvrije ruimte, bij de goede temperatuur en luchtvochtigheid.”

Voor een industriële toepassing is spuiten met één naald niet voldoende. ,,Die zou je dan iedere keer moeten omspoelen om in een ander putje een ander enzym te spuiten”, verklaart Moerman. In het octrooi van Moerman en collega’s staat daarom beschreven hoe je een matrix van bijvoorbeeld 25 spuiten kunt maken waarmee 25 verschillende enzymen op een chip zijn aan te brengen. ,,Meer doen we er niet aan. Dat is meer iets voor de industrie. Wij hebben alleen aangetoond dat het principe werkt.”

Chips gevuld met enzymen moet een bedrijf voor een gulden kunnen maken, verwacht Moerman. ,,Met ingebouwde meetapparatuur zal het echter een stuk duurder worden.” Vellekoop denkt dat dat welmeevalt. ,,In massaproductie worden de chips met fotodiodes niet zo duur. Ik schat dat de productieprijs onder de tien gulden kan komen te liggen. Chipfabrikanten kunnen de chip nog een stuk kleiner maken dan wij nu doen.”

Delftse siliciumchips met honderd minuscule putjes met ingebouwde meetapparatuur liggen over tien jaar misschien wel in elke huisartsenpraktijk. De huisarts moet de chip alleen met een uv-laser bestralen na hem gevuld te hebben met bloed. In elk putje of elke rij putjes zit een ander enzym of antilichaam voor een verschillende test. De meetresultaten worden vanuit elk putje direct naar een computerchip gestuurd en geanalyseerd. Dat levert tijdwinst op voor arts en patiënt.

Ook voor centrale laboratoria zijn er voordelen. Laboranten kunnen de testen daar goedkoper uitvoeren, omdat voor diagnostische testen op chips veel kleinere hoeveelheden dure enzymen of antilichamen nodig zijn dan voor de huidige testmethodes.

,,Met kleine putjes kun je veel meer testen doen voor minder geld”, stelt ir. Rob Moerman van het Kluyverlab voor biotechnologie. ,,Op onze chips vinden reacties plaats in een volume dat meer dan 250 duizend keer kleiner is dan bij de bestaande methodes. Die maken gebruik van plastic platen met putjes van een halve centimeter breed”, zegt dr.ir. Gijs van Dedem, deeltijdhoogleraar op het Kluyverlab. De Delftse putjes zijn niet veel groter dan de omtrek van een haar. ,,Met minder dan een milliliter vloeistof kunnen we de putjes van tienduizenden chips met enzymen vullen.”

Voor bloedtesten is nu bovendien vaak veel bloed nodig. ,,Soms tappen ze nu wel drie verschillende buisjes af. Wij kunnen met minder testmateriaal vaker dezelfde test doen”, aldus Van Dedem. ,,Dat zorgt voor een betrouwbaarder resultaat.”

Werkpaarden

In het Delftse interfacultair onderzoeksinstituut (Dioc) intelligent molecular diagnostic systems werken biotechnologen, elektrotechneuten, fysici en informatici samen aan methodes om in heel kleine volumes experimentjes uit te voeren. Ze werken zelf niet aan bloedtesten. Hun voorlopig al ambitieuze doel is het maken van miniatuur intelligente diagnostische systemen voor het analyseren van enzymconcentraties in vloeistoffen uit een reactorvat met gistcellen. Met zulke informatie kunnen biotechnologen de stofwisseling in gistcellen bestuderen.

Het is de onderzoekers inmiddels gelukt om verschillende biologische moleculen waar de enzymen mee reageren viaminidruppeltjes op een chip te spuiten. Verder hebben de biotechnologen een ingenieuze manier gevonden om een te analyseren vloeistof uit de reactor makkelijk over de putjes te verdelen zonder te titreren. Daar vragen de onderzoekers nu een octrooi op aan. Bovendien hebben ze afdekplaatjes ontwikkeld die ervoor zorgen dat opgespoten vloeistoffen niet al tijdens de gewenste testreactie verdampen.

De fysici van de sectie patroonherkennen ontwikkelden een techniek om de snelheid van de reacties in de tijd te volgen met een microscoop en een speciale camera. Dat werkt goed, maar voor speciale toepassingen kan het interessant zijn om meetapparatuur in de chips in te bouwen, iets waar in het Elektrogebouw hard aan wordt gewerkt.

De elektrotechneuten hebben een volumemeter in de putjes van de chip ingebouwd. Hierdoor kan er in de reactieberekeningen gecorrigeerd worden voor kleine variaties in het vloeistofvolume in de verschillende putjes. Ook proberen ze een fotodiode met het juiste filter in elk putje te plaatsen. Zo’n fotodiode kan het licht meten waarmee een bepaalde biochemische reactie verraadt dat hij plaatsvindt als de chip met uv-licht wordt bestraald.

Het onderzoeksinstituut heeft inmiddels vier octrooien op deze methodes op zak. Samen zijn die ruim zes miljoen gulden waard volgens het Engelse bureau Scientific Generics. Een vijfde octrooi is net ingediend.

Komende anderhalf jaar moeten de ontwikkelde bouwstenen geïntegreerd worden tot een werkend prototype. ,,Met een demonstratiemodel met veertig putjes willen we de industrie dan eens laten zien wat we kunnen”, vertelt dr.ing. Michiel Vellekoop van Dimes.

Levende cellen

Het Dioc van prof.dr. Ted Young bracht de Delftse biotechnologen, fysici en elektrotechneuten nader tot elkaar. ,,Zonder dit Dioc was ik niet met dit soort onderzoek bezig geweest”, stelt Vellekoop. Hij heeft zich als sensorspecialist ineens moeten verdiepen in de chemische reacties die in een gistcel plaatsvinden. ,,We beginnen met het monitoren van een veelvoorkomende reactie in gist”, legt Vellekoop uit. Levende cellen gebruiken namelijk vaak NAD+ of Nadh om waterstofatomen die vrijkomen bij een reactie op te vangen of juist waterstofatomen voor een reactie aan te bieden. Zulke reacties zijn met een fotodiode te volgen doordat deze biologische stof mét waterstof fluoresceert na bestraling met uv-licht, terwijl die stof dat zónder waterstof niet doet. Door de hoeveelheid licht die vrijkomt te meten, kunnen biochemici de concentratie bepalen van de stoffen waar NAD+ of Nadh mee heeft gereageerd.

,,Een fotodiode in een klein putje zetten is voor ons niet zo’n probleem”, vervolgt Vellekoop. ,,Maar we hadden ook een filter nodig dat het uv-licht tegenhoudt waarmee het putje wordt bestraald. De hoeveelheid uitgezonden licht die we willen meten is namelijk bijna verwaarloosbaar klein ten opzichte van de hoeveelheid uv-licht.”

Na gepruts met ingewikkelde filters die uit twee spiegelplaatjes bestaan, bleek uit een computersimulatie van ir. Ventzy Iordanovdat een dun laagje silicium eigenlijk al genoeg is om het uv-licht tegen te houden. De uitdaging is nu om dat filter op de fotodiode aan te brengen zonder dat de daarvoor benodigde hoge temperaturen de diode beschadigen.

Een ander obstakel is dat het licht dat vrijkomt van de biologische moleculen geen hoge intensiteit heeft. Een paar miljoen lichtdeeltjes (fotonen) leveren slechts een klein stroompje van minder dan een nano-ampère. Daarom bouwen de onderzoekers naast elk putje een klein versterkertje.

Het gemeten signaal loopt daarna verder via lijntjes van twee micrometer. ,,Er passen makkelijk vierhonderd van die lijntjes op een chip met putjes. Het probleem is echter dat er op een vierkante centimeter geen vierhonderd contactjes passen die de stroom doorgegeven aan de verwerkende chip. Daarom moeten we slimme manieren met schakelaartjes verzinnen om alle data via minder contactjes door te geven.”

Lopende band

Het vullen van de putjes hebben de biotechnologen al aardig onder de knie. Ze maken een spray van superkleine druppeltjes door een vloeistof via een dunne naald richting de chip te spuiten. Door het elektrische veld dat de onderzoekers aanleggen tussen de punt van de naald en de chip breekt de vloeistofstraal op in druppeltjes. Deze geladen druppeltjes worden aangetrokken door de chip en komen keurig in het juiste putje terecht waar ze een dun laagje vormen.

Voor diagnostische tests kunnen de biotechnologen ook enzymen in de putjes spuiten. ,,Toen we enigszins labiele enzymen op een droog oppervlak spoten beschadigde die in onze eerste experimenten”, stelt Moerman. ,,Waarschijnlijk gebeurde dat doordat de zoutconcentratie rond de enzymen te hoog werd door verdamping van de vloeistof.” Samen met zijn collega’s loste hij dit probleem op door de zoutconcentratie te verlagen, een milde zeepachtige stof toe te voegen en een speciale suiker. Hoe lang de enzymen die overblijven in de ingedampte putjes te bewaren zijn, moeten ze nog uitzoeken.

Het aanbrengen van de verschillende enzymen in de chips voor diagnostische tests is iets voor een specialistisch bedrijf dat ze aan de lopende band kan maken, denkt Moerman. Het proces luistert heel nauw. ,,Het moet gebeuren in een stofvrije ruimte, bij de goede temperatuur en luchtvochtigheid.”

Voor een industriële toepassing is spuiten met één naald niet voldoende. ,,Die zou je dan iedere keer moeten omspoelen om in een ander putje een ander enzym te spuiten”, verklaart Moerman. In het octrooi van Moerman en collega’s staat daarom beschreven hoe je een matrix van bijvoorbeeld 25 spuiten kunt maken waarmee 25 verschillende enzymen op een chip zijn aan te brengen. ,,Meer doen we er niet aan. Dat is meer iets voor de industrie. Wij hebben alleen aangetoond dat het principe werkt.”

Chips gevuld met enzymen moet een bedrijf voor een gulden kunnen maken, verwacht Moerman. ,,Met ingebouwde meetapparatuur zal het echter een stuk duurder worden.” Vellekoop denkt dat dat welmeevalt. ,,In massaproductie worden de chips met fotodiodes niet zo duur. Ik schat dat de productieprijs onder de tien gulden kan komen te liggen. Chipfabrikanten kunnen de chip nog een stuk kleiner maken dan wij nu doen.”