Stel je voor dat je het lab van een typische gekke wetenschapper binnenloopt: borrelende bekerglazen vol mysterieuze vloeistoffen en vonken die door de lucht schieten tussen elektrische spoelen. En midden in de kamer groeit een levend, kloppend mensenhart in een schaaltje.

Het klinkt misschien als een goedkope sciencefictionfilm, maar dat laatste gebeurt echt – en wel in het Leiden Bio Science Park. Daar kweken Roxanne Kieltyka en haar onderzoeksgroep realistisch hartweefsel in schaaltjes.

De zogeheten supramoleculaire chemici bestuderen hoe afzonderlijke moleculen met elkaar interageren en zich aan elkaar hechten zonder sterke chemische bindingen te vormen. Het is alsof je bouwt met LEGO-steentjes in plaats van lijm. Kieltyka omschrijft het als ‘de mogelijkheid om materialen op te bouwen uit kleine moleculen… waarbij je verschillende chemische processen onderzoekt en bestudeert hoe ze zichzelf in structuren ordenen en wat hun toepassingsmogelijkheden zijn’.

Meest voorkomende doodsoorzaak

Kieltyka komt uit Canada en is universitair hoofddocent aan het Leiden Institute of Chemistry. ‘De interacties die de moleculen bij elkaar houden, maken de materialen dynamisch. Als je een collectief bijeenbrengt, zoals moleculen in een groep, kun je er een heleboel mee doen.’

Deze kleine moleculen hebben inderdaad een aantal indrukwekkende eigenschappen, zoals het vermogen om zichzelf in structuren te ordenen, of – in het geval van Kieltyka’s SUPRAHEART-project – een geschikte omgeving te creëren waarin hartcellen zich kunnen samenstellen tot structuren die een echt menselijk hart nabootsen.

Hartziekten zijn wereldwijd de meest voorkomende doodsoorzaak, dus onderzoek naar de preventie en behandeling van hartziekten is zeer relevant. Gelukkig kan met weefselmodellen onderzoek naar hartcellen worden gedaan zonder levende patiënten te hoeven gebruiken. Weefselmodellen zijn klompjes cellen die in een laboratorium worden gekweekt en die de structuur en werking van echte menselijke cellen nabootsen.

Kieltyka omschrijft het project als ‘onderzoek naar hoe we deze weefselmodellen kunnen gaan opbouwen op basis van geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide cardiomyocyten in supramoleculaire materialen’. Dat is een hele mond vol, dus laten we het even opsplitsen: geïnduceerde pluripotente stamcellen zijn cellen die zijn ‘geherprogrammeerd’ om elk type menselijke cel te kunnen worden, of het nu om bloed-, bot- of levercellen gaat.

Groeien en delen

Cardiomyocyten zijn de cellen die de spieren in je hart vormen – deze zorgen ervoor dat je hart klopt. In het kort onderzoekt het team hoe in het laboratorium gekweekte hartcellen, die gemaakt zijn van geherprogrammeerde stamcellen, gebruikt kunnen worden om realistisch hartweefsel te creëren. Hiervoor is supramoleculaire chemie van essentieel belang.

De cellen in ons lichaam hebben een stevige basis (de extracellulaire matrix) nodig om te kunnen groeien en zich te delen. Om hartweefsel in het lab te kweken, gebruiken onderzoekers meestal Matrigel, een extracellulaire matrix afkomstig van muizen. Een soort steiger om aan te bouwen. Kieltyka gelooft echter dat ze deze steiger helemaal zelf kunnen maken.

Een volledig synthetische steiger heeft veel voordelen, zegt Kieltyka. ‘Als je kijkt naar de samenstelling van Matrigel, zijn er een heleboel componenten – maar die samenstelling is niet gedefinieerd. Als je een volledig synthetisch materiaal hebt, is dit wel chemisch gedefinieerd’. Met andere woorden, als een materiaal volledig synthetisch is, weten onderzoekers precies waar het uit bestaat. Als onderzoekers een experiment dan herhalen, zullen de resultaten niet veranderen op basis van het materiaal.

Ethiek

‘Daarnaast heb je met een volledig synthetisch materiaal de mogelijkheid om de eigenschappen van dat materiaal beter te moduleren. Als je specifieke verbindingen gebruikt, kun je een groot aantal verschillende weefsels nabootsen’. Kieltyka legt uit dat biologische materialen gebruikt moeten worden ‘zoals ze zijn’, terwijl synthetische materialen volledig naar wens kunnen worden aangepast.

Ook is er nog de kwestie van ethiek. Matrigel is afkomstig van muizentumoren. Levende muizen worden geïnjecteerd met kankercellen waardoor een tumor ontstaat. Uiteindelijk wordt de muis geëuthanaseerd en het tumorweefsel verwijderd en opgeslagen. ‘Met een synthetisch alternatief zou het gebruik van dieren niet meer nodig zijn’.

Voor Kieltyka’s synthetische steiger is een ‘basisbouwsteen’ nodig om het materiaal op te kunnen bouwen: een uniek molecuul. Dit molecuul wordt ontworpen met zeer specifieke kenmerken. Ze kunnen bijvoorbeeld ‘tags’ aan de moleculen koppelen die als signalen fungeren waardoor de cellen weten wat ze moeten doen.

Het molecuul is ook zelfassemblerend: het kan zichzelf in structuren ordenen. Net als LEGO-steentjes kunnen ze zich op elkaar stapelen tot lange strengen. Ze zijn echter niet aan elkaar ‘vastgelijmd’ (chemisch gebonden); ze kunnen zonder veel kracht aan elkaar koppelen en weer loskoppelen. Net als dat LEGO-steentjes noppen en buisjes hebben zodat ze op elkaar passen, is Kieltyka’s molecuul ‘voorgeprogrammeerd’ met delen die zo zijn ontworpen dat ze vanzelf aan elkaar kunnen hechten.

Beurs

De moleculaire strengen vormen uiteindelijk een gel-achtige substantie die de extracellulaire matrix nabootst en een geschikte omgeving biedt voor hartcellen.
Voor het project ontving de Kieltyka-groep een ERC Proof of Concept-beurs van €150.000. De onderzoekers krijgen 12 tot 18 maanden de tijd om hun onderzoek in de praktijk te brengen en de mogelijkheden voor het vermarkten van hun onderzoek te verkennen.

De markt is nieuw terrein voor Kieltyka. ‘Zodra je de stap zet naar commercialisering, moet je je innovatie als een product gaan zien... dat brengt een hele reeks nieuwe vragen met zich mee die je ook in het lab moet verkennen’.

De groep is er nog niet uit of het de moleculaire bouwsteen zelf of de gel die daaruit ontstaat op de markt wil brengen. Er moet hoe dan ook nog veel getest worden. ‘Andere onderzoeksgroepen zouden dit materiaal eventueel kunnen gebruiken voor kweekexperimenten onder deze of juist andere omstandigheden’.

Maar het zou zomaar kunnen dat deze volledig synthetische matrix uiteindelijk voor iedere onderzoeker wereldwijd verkrijgbaar is en een efficiënte en ethisch verantwoorde oplossing biedt om hartcellen te kweken en behandelingen voor hartaandoeningen te optimaliseren.