Cellen met een hartslag

Het einde is in zicht, en daar heb ik een dubbel gevoel bij. Het is fantastisch om ons project, waar we drie volle zomermaanden aan gewerkt hebben, gefinaliseerd te zien, absoluut. Anderzijds doe je maar één keer mee aan een wedstrijd zoals iGEM, en deze unieke ervaring zit er voor ons bijna op.

Misschien moet ik eerst even wat context scheppen. iGEM, of ‘international Genetically Engineered Machine’ is een prestigieuze wedstrijd in de synthetische biologie. Teams uit meer dan 300 universiteiten komen samen in Boston en proberen elkaar elke editie te overtreffen in het ontwikkelen van een nieuw genetisch gemodificeerd systeem. Ik, samen met elf collega-studenten van de KU Leuven, maak dit jaar deel uit van het universitaire team. In vorige blogs schreef ik over ons prille begin, onze tegenslagen, en onze activiteiten buiten het lab. Nu, aan het einde van de zomer, is het eindelijk tijd om te praten over onze resultaten, over de wetenschap, over HEKcite.

Zoals ik in een eerdere blog schreef, heeft het relatief lang geduurd tot we een finaal project konden kiezen. Achteraf bekeken is het moeilijk om dit niet te bekijken als verloren tijd, aangezien het de allereerste pitch ooit was die het uiteindelijk gehaald heeft. Misschien hadden sommigen wat meer tijd nodig om zelf overtuigd te worden van het idee. Misschien wilden anderen zeker zijn dat ze zelf niets beter konden verzinnen. Ik, om eerlijk te zijn, begreep er gewoon niets van. Het was pas door het heel simpel voor te stellen dat het concept tot me doordrong. Ook hier zal ik ons project, HEKcite, op gesimplificeerde wijze voorstellen, om het grote plaatje duidelijk te maken.

Laat ons starten bij het menselijk hart. Zonder twijfel is de belangrijkste eigenschap van het hart dat het klopt, en dat doet het min of meer met een constant ritme, gemiddeld zo’n 80 jaar lang zonder onderbreking. Maar hoe constant is dit ritme eigenlijk? Misschien ligt het aan mijn gebrekkige fysieke conditie, maar mijn hart klopt beduidend sneller op de vijfde verdieping dan voor ik (misschien te ambitieus) besloot om de trap te nemen in plaats van de lift. Inderdaad, de frequentie waarmee ons bloed door onze aderen wordt gepompt varieert met omgevingsfactoren, zoals de temperatuur en stoffen in het bloed zoals adrenaline.

Maar hoe gebeurt dat juist? Om dit te begrijpen moeten we wat beter naar ons kloppend orgaan kijken. In de wand van de rechterboezem bevindt zich de sinusknoop, een groep cellen die via elektrische impulsen zorgt voor gecoördineerde contractie van het hart. Zonder diep in te gaan op de achterliggende elektrofysiologische achtergrond (een geheel studiedomein op zich) is het belangrijk om te weten dat deze ‘dirigent’cellen een constant elektrisch ritme creëren met behulp van ionenkanalen. Zoals de naam impliceert zijn ionenkanalen kleine doorgangen in de celmembraan waardoor enkel bepaalde opgeloste ionen kunnen passeren. Door deze kanalen meer of minder permeabel te maken (lees: kanalen openen of sluiten) wordt op directe wijze de snelheid van ‘kloppen’ aangepast. Een signaalmolecule dat kan binden aan een van die ionenkanelen is op deze manier dus in staat om die frequentie, en dus de hartslag, te wijzigen.

Het is deze fundamentele eigenschap die wij aan het begin van de zomer besloten uit te buiten. Als eerste stap gingen we het ritme van de cellen in de sinusknoop proberen nabootsen in een ander celtype, dat van nature geen elektrisch ritme heeft. Om dit te bereiken moesten we meer te weten komen over dit ritme. Welke ionenkanalen zijn net belangrijk? Wanneer openen en sluiten ze? Hebben ze een direct effect op het ritme? Kortom: meer vragen dan antwoorden en dus veel literatuurstudie.

Het was ons meteen duidelijk dat dit ‘kloppend’ systeem in vele toepassingen gebruikt kan worden. Wij kozen om iets te doen in verband met therapeutic drug monitoring. In de geneeskunde zijn er verschillende soorten medicatie die enkel een goede werking hebben als ze in exact de juiste hoeveelheden worden genomen. Neem je iets te weinig, dan heb je geen effect. Neem je iets te veel, dan krijg je soms toxische neveneffecten. Op dit moment worden deze geneesmiddelen natuurlijk ook wel gecontroleerd, maar vooral via bloednames. De patiënten moeten dan vaak naar het ziekenhuis gaan om een staaltje af te leveren, en vervolgens enkele dagen geduld hebben tot ze hun eigen bloedresultaten kunnen zien.

Hierin zagen wij een leuke toepassing voor ons oscillerend HEKcite systeem. Er zijn een aantal geneesmiddelen die direct invloed uitoefenen op de werking van ionenkanalen. In theorie zou het ritme van dergelijke oscillerende cellen moeten veranderen in functie van de hoeveelheid geneesmiddelen in de omgeving. Wat als we deze ‘kloppende’ cellen dus eens in een capsule steken? En wat als we deze capsule vervolgens inplanten onder de huid van een patiënt? Wel, dan wordt continue monitoring van het bloed mogelijk. De cellen zouden continu oscilleren, tot de concentratie van een specifieke drug in het bloed plots wijzigt. Dit zou de ionenkanalen beïnvloeden en dus het ritme veranderen. Al wat dan nog nodig is, is een klein meettoestel, in staat om de oscillaties continu op te meten. En wat blijkt? Dergelijke meettoestellen bestaan al, en kunnen in de handige vorm van een klein implantaat gefabriceerd worden. Een armband kan dan dienen als uitlezing, en om de resultaten door te sturen naar een smartphone of computer.

Wat nu volgt is wat wij deze zomer effectief gerealiseerd hebben. Wij besloten in de eerste plaats een ‘proof-of-concept’ te doen. We zijn er na drie maanden in geslaagd deze ‘kloppende’ cellen te maken in het laboratorium door drie verschillende ionenkanalen in humane cellen te transfecteren (het inbrengen van deze ionenkanalen). Vervolgens konden we hun lading onderzoeken via de ‘patch-clamp techniek’, en bleek inderdaad dat ze zélf een ritme konden veroorzaken.

Vervolgens hebben we geneesmiddelen getest op deze cellen, en bleek dat onze cellen een sneller of trager ritme vertoonden, afhankelijk van het geneesmiddel. In theorie zou het dus mogelijk zijn om met ons systeem, op dynamische wijze én real-time, geneesmiddelen te monitoren en via je smartphone af te lezen.

De zomermaanden zijn ondertussen verstreken en het nieuwe academiejaar is begonnen. Werk is er nog steeds in overvloed, tijd iets minder. Maar we zijn zeker dat we daar in Boston een geweldig project kunnen voostellen waar we als team helemaal achter staan. Ieder van ons staat alvast te trappelen om het vliegtuig richting VS in te stappen. We houden jullie op de hoogte!