Glow-in-the-dark bij de huisarts

In het donkere lab houdt biomedisch technoloog Eva van Aalen haar pipet boven een buisje en voilà: een tel later heeft ze lichtgevend groen in haar hand, een tweede buisje geeft helblauw licht af. Het filmpje dat Van Aalen ooit maakte om te laten zien hoe haar lichtgevende moleculen werken, lijkt een magische truc.

Hoewel de bioluminescente sensoreiwitten in een overmatige hoeveelheid met het blote oog te zien zijn, is in een experimentele setting een gevoelige camera nodig om ze te kunnen detecteren en behelst haar onderzoek meer dan een glow-in-the-dark show, benadrukt Van Aalen lachend.

Om bepaalde ziektes te diagnosticeren maakt een klinisch laboratorium vaak gebruik van immunoassays, testen waarin antilichamen aan een molecuul van interesse kunnen binden. Deze vaak geautomatiseerde testen zijn door de vele incubatie- en wasstappen echter tijdrovend en bovendien door de hoeveelheid vloeistoffen en plastics niet bepaald duurzaam.

In de onderzoeksgroep van TU/e-hoogleraar Maarten Merkx wordt daarom al langere tijd gewerkt aan de ontwikkeling van bioluminescente sensortesten die voor snellere diagnostiek ingezet moeten gaan worden, legt Van Aalen uit. “Deze testen zijn een kwestie van ’mix and read’, waardoor een uitslag veel sneller bekend is.

We gebruiken daarvoor specifieke eiwitten, luciferases. Deze groep enzymen is in de natuur bekend van de vuurvliegjes, gloeiwormen en algen die door een chemische reactie licht kunnen produceren: bioluminescentie.”

Moleculair stoplicht

De basis voor de diverse sensorplatforms die Van Aalen in haar proefschrift beschrijft, zijn gebaseerd op een klein, lichtgevend enzym afkomstig uit een zeegarnaal, NanoLuc luciferase. Om de sensoren nog stabieler en gevoeliger te maken, koppelde ze het blauwe NanoLuc aan een tweede, groen lichtgevend eiwit.

“In plaats van een blauw uitdovend licht, hebben we nu een zeer stabiel moleculair stoplicht gebouwd. We kunnen hiermee heel gevoelig de aanwezigheid van bepaalde moleculen in een sample meten. Zien we groen, dan is het molecuul afwezig, en hoe meer blauw, hoe groter de aanwezige hoeveelheid.” Ze pakt haar proefschrift erbij en toont het kaft vol gekleurde vakjes in uiteenlopende blauw en groentinten.

Van Aalen laat zien dat met deze technologie veel verschillende moleculen gedetecteerd kunnen worden, en deed aanpassingen aan het platform om in elke situatie zo optimaal te kunnen meten. In samenwerking met biotechbedrijf Genmab zette ze de eerste succesvolle stappen om een kankermarker in een bloedsample te kunnen meten, en hoopt ze dat de biosensor ooit gebruikt kan worden om tijdens een oncologische operatie kankercellen zichtbaar te maken.

Ook andere targets zoals zink – een uitdaging omdat het een zeer klein molecuul is – bepaalde medicijnen en viraal en bacteriaal RNA en DNA kunnen op een snelle manier in patiëntenmonsters gemeten worden. “Tijdens de coronapandemie mochten we als een van de weinige groepen doorwerken in lockdown-tijd.

Alle hens aan dek om een antigentest voor SARS-CoV-2 te ontwikkelen. In een latere fase werkte ik samen met collega-PhD-student Harm van der Veer en lag de focus op het meten van viraal SARS-CoV-2 RNA met een nieuw sensor platform, wat uiteindelijk in een samenwerking met het Rijnstate ziekenhuis ook gelukt is. Het heeft het onderzoek naar het gebruik van bioluminescente biosensoren zeker een boost gegeven.”

Uitleesapparaat

Toch mist er voor uitrol op grote schaal, voor de zogenoemde Point of Care-toepassingen (metingen uitgevoerd dichtbij de patiënt) in de huisartsenpraktijk maar ook in een thuissituatie, een essentieel onderdeel: een handzaam, eenvoudig apparaatje om de testen uit te lezen.

Omdat het project van Van Aalen onderdeel is van het RAAK-PRO programma, waarin Fontys de samenwerking zoekt met TU/e-wetenschappers om toegepast onderzoek uit te voeren, werkte ze naast de sensortechnologie ook aan de ontwikkeling van een dergelijk uitleesapparaat.

“Het merendeel van de experimenten heb ik uitgevoerd met een proefopstelling in een piepschuimbak met een camera erboven. Toen dat na vele aanpassingen op chemisch niveau succesvol bleek, zijn we verder gaan kijken. Een goed systeem bestaat uit een sensor, een wegwerpchip en een apparaat dat het bioluminescente signaal kan lezen."

"Samen met de microfluïdica-onderzoeksgroep van professor Jaap den Toonder en onderzoekers van Fontys hebben we een begin gemaakt met het ontwerp voor een geschikte reader en een microfluidïsche wegwerpchip, een nieuwe PhD-student gaat hiermee verder en ook een huisarts zal in het vervolgproject aansluiten.”

Want als het aan Van Aalen ligt – zelf blijft ze binnen de TU/e spin-off Lumabs aan bioluminescente sensoren werken – gaan de glow-in-the-dark testen in de nabije toekomst een vaste plek binnen de klinische diagnostiek innemen. “Met goed ontwikkelde platformtechnologie zijn assays voor andere biomarkers relatief eenvoudig te maken.

Er is grote behoefte aan snelle, gevoelige testen. Voor een efficiëntere diagnosestelling, maar ook om de druk op de klinische laboratoria te verminderen. Mijn vader heeft afgelopen jaren al zo vaak gevraagd wanneer ‘mijn’ sneltest nu eindelijk op het bureau in zijn huisartsenpraktijk kwam te staan.”