Opsporen én genezen

Dat zegt dr. Klazina Kooiman. De onderzoekleidster van de afdeling Biomedical Engineering van het Erasmus MC wijst naar haar beeldscherm. “Dit is een echo van het hart van een patiënt. Je ziet de wanden en de kleppen, maar waar het bloed is, zien we alleen maar zwart. Dat komt omdat bloedcellen ultrageluid – waar echografie op gebaseerd is – nauwelijks weerkaatsen (zie Kader ‘Wat is ultrageluid?’). Per toeval werd ontdekt dat na het inbrengen van minuscule gasbelletjes in de bloedbaan het bloed wél zichtbaar wordt.” De gasbelletjes zijn slechts een tot tien micrometer klein. Ter vergelijking: de diameter van een mensenhaar is zo’n tien keer groter. Kooiman: “Vanwege hun beperkte afmetingen kunnen de gasbelletjes overal in het lichaam komen waar rode bloedcellen heen gaan. Dat maakt het mogelijk om de perfusie, de doorbloeding van weefsels en organen in het lichaam, in beeld te brengen. In het hart bijvoorbeeld.”

Dr. Klazina Kooiman

Schilletje

Kooiman toont een plastic verpakking met daarin een flesje, een ampul met een oplossing en een injectiespuit. In het flesje zit een laagje wit poeder. “Dat zijn de gasbelletjes in gevriesdroogde vorm. Als de oplossing aan het witte poeder is toegevoegd, kunnen de gasbelletjes via een infuus in een ader bij de patiënt worden toegediend. Dat gebeurt in ziekenhuizen al volop: jaarlijks zo’n drie miljoen keer wereldwijd.”

‘Direct meekijken of de behandeling aanslaat’

De gasbelletjes hebben een schilletje van eiwit of vet, maar ook andere stoffen zoals suikers of polymeren (chemische verbindingen) zijn mogelijk. Belletjes met een schilletje van vetten worden op dit moment het meest gebruikt in ziekenhuistoepassingen.

Hoe werkt het?

Kooiman: “Miljoenen gasbelletjes worden ingespoten in het bloed en bereiken zo alle organen in het hele lichaam. Een echoapparaat op de borstkas van een patiënt zendt ultrageluidsgolven uit. Die bereiken het hart en worden weerkaatst. De gasbelletjes in het bloed reageren ook op het ultrageluid: ze krimpen door het positieve gedeelte van de ultrageluidsgolf en zetten uit door het negatieve gedeelte. Dat krimpen en uitzetten gebeurt miljoenen keren per seconde en genereert zelf ook een geluidsgolf. Die wordt door het echoapparaat opgevangen en omgezet in een beeld. Op de echo-opname is het bloed niet langer zwart, maar zichtbaar als bewegende witte spikkeltjes.”

Toepassingen

Dankzij de gasbelletjes kan het functioneren van het hart worden bestudeerd. Pompt het voldoende bloed rond? Werken de hartkleppen naar behoren? Zijn er bloedvatvernauwingen aanwezig, bijvoorbeeld als gevolg van plaques? Voor Kooiman zijn de gasbelletjes en ultrageluid belangrijke gereedschappen. De toepassing gaat verder dan het zichtbaar maken van de bloedstroom in het hart, vertelt Kooiman. Ze geeft twee voorbeelden:

1. Medicijnopname stimuleren

“De gasbelletjes zetten uit en krimpen onder invloed van ultrageluid. Daarbij botsen ze tegen omliggende weefsels. Je kunt dat met een massage vergelijken. Die stimuleert cellen om een medicijn op te nemen. Dat kan een geneesmiddel zijn dat in het bloed circuleert, maar het is ook mogelijk om een medicijn in de gasbelletjes zelf te stoppen, of in het schilletje dat het gasbelletje omhult. De gasbelletjes dringen dankzij hun geringe afmetingen overal in het lichaam door, maar omdat de ultrageluidsgolven nauwkeurig op een bepaalde plek gericht kunnen worden, hebben we controle over de locatie waar het medicijn actief moet worden.”

Voor het onderzoek naar deze toepassing ontving Kooiman in 2014 een Veni-beurs van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), domein Toegepaste en Technische Wetenschappen.

2. Bacteriën en tumorcellen doden

“Door extra krachtige ultrageluidsgolven uit te zenden, gaan de gasbelletjes zó heftig vibreren, dat cellen waar zij tegenaan botsen doodgaan. We onderzoeken momenteel of we op die manier bacteriën of kankercellen kunnen uitschakelen. Het effect kan mogelijk worden versterkt door de gasbelletjes te vullen met antibiotica die bacteriën om zeep helpen, of met medicijnen die kankercellen doden.”

Voor het onderzoek naar deze toepassing bij een bacteriële infectie van de hartklep werd Kooiman in 2015 een Erasmus MC Fellowship toegekend. Kooiman geeft leiding aan een groep onderzoekers. Een promotieonderzoeker en een student-analist richten zich op de interactie tussen de gasbelletjes en de vaatwand. Een tweede promovendus kijkt naar de toepassing van de gasbelletjes bij de bestrijding van bacteriën, een derde bij tumoren. Een vierde, onlangs gestarte promotieonderzoeker gaat een nieuwe type schilletjes rond de gasbelletjes ontwikkelen; dit project wordt gefinancierd door het Phospholipid Research Center uit Duitsland.

“Dankzij de gasbelletjes en ultrageluid worden beeldvorming en therapie samengebracht”, vertelt Kooiman enthousiast. “Bovendien kunnen we met het echografie-apparaat direct meekijken of de behandeling aanslaat.”

Ei van Columbus

“Onderzoek naar nieuwe toepassingen van gasbelletjes wordt in eerste instantie alleen in vitro uitgevoerd”, vertelt Kooiman. Daarmee bedoelt zij: in kweekbakjes in een laboratoriumsituatie. “Maar we willen natuurlijk weten hoe de belletjes zich in de bloedbaan gedragen. Om dat te onderzoeken is een diermodel noodzakelijk. Er gelden een paar voorwaarden. Het model moet zo simpel mogelijk zijn, maar de werkelijkheid zo dicht mogelijk naderen. En heel belangrijk: het weefsel moet transparant zijn, want we moeten er met de microscoop doorheen kunnen kijken.”

Muizen en ratten zijn minder geschikt: de experimenten zijn belastend voor het dier, de ziekteprocessen zijn moeilijk te reproduceren en de onderzoeken zijn (terecht) onderhevig aan strenge regelgeving en kostbaar. Bevruchte kippeneieren blijken het ei van Columbus. Kooiman: “Tijdens de ontwikkeling van het kippenembryo ontstaat de chorioallantoic membrane (CAM), een netwerk van bloedvaten dat het embryo van zuurstof en voedingsstoffen moet voorzien. Omdat die bloedvaten direct aan de oppervlakte liggen, zijn ze voor ons onderzoek heel geschikt. Komen de gasbelletjes op de juiste plek? Verloopt de afgifte van medicijnen goed? Dat kunnen we dankzij de kippeneieren goed bestuderen. We verzamelen achtergrondinformatie die we nodig hebben om onze techniek uiteindelijk bij patiënten te kunnen toepassen.”

Scheuren

Het kippenei heeft nóg een voordeel. Kooiman: “De bloedvaten van het kippenembryo zijn nieuwgevormd. Op de wand van die vaten komt een eiwit voor: alfa-v beta-3. Bij de volwassen mens zien we dat eiwit ook bij de vorming van nieuwe bloedvaten, bijvoorbeeld bij wondgenezing, maar ook bij ziekteprocessen zoals kanker. Bij bepaalde vormen van atheroscerose (aderverkalking, red.) ontstaan nieuwe bloedvaatjes in de plaques, de afzettingen van vetachtige stoffen. Dat is heel gevaarlijk: de kans op scheuren van de atherosclerose in het bloedvat neemt dan sterk toe, met een grote kans op een hartinfarct of een beroerte. Het kippenei blijkt een uitstekend model om de rol van aan alfa-v beta-3 gekoppelde gasbelletjes voor medicijnopname bij die processen te bestuderen.”

‘Beeldvorming en therapie samengebracht’

Wat is ultrageluid?

Geluid is niets anders dan een trilling, de verplaatsing van een drukgolf. Het menselijk oor kan geluiden waarnemen tussen de 20 en 20.000 trillingen per seconde (hertz, Hz). Boven 20.000 Hz spreken we van ultrageluid. De frequentie van de trillingen die in de geneeskunde gebruikt wordt, loopt van 1 miljoen tot 50 miljoen hertz.

Openbreken

Kooiman verwacht dat de gasbelletjes nóg effectiever worden als ze aan hun doelwit blijven kleven. Ze geeft een voorbeeld: “Op het schilletje rond de gasbelletjes kunnen we moleculen aanbrengen die tumorcellen herkennen. Ze passen als het ware als een sleutel in een slot. Dit heeft twee belangrijke voordelen: het maakt het mogelijk om de vaatcellen in een tumor heel nauwkeurig in beeld te brengen. Bovendien kun je heel gericht therapie toepassen: alleen op de plekken waar de gasbelletjes aan de tumorcellen gekoppeld zijn, wordt het medicijn door ultrageluid actief gemaakt.”

Het sleutel-slot-principe is niet alleen interessant om gericht naar tumorcellen te speuren en ze te doden. Ook bij het aanpakken van bacteriële infecties is het toepasbaar. Kooiman: “Bij een infectie van de hartklep kapselen de bacteriën zich helemaal in. Daardoor kan een toegediend antibioticum alleen de bovenkant van de bacterielaag bereiken. Met gasbelletjes proberen we die bacterieafzettingen open te breken. Daardoor gaan de buitenste bacteriën dood en worden dieper gelegen bacteriën toegankelijk gemaakt voor antibiotica.”

Het koppelen van moleculen aan gasbelletjes is alleen niet zo eenvoudig en vereist onder andere veel chemische kennis. Onlangs trok Kooiman naar Charlottesville in de Amerikaanse staat Virginia om van een expert de fijne kneepjes te leren. “Ik heb er alle vertrouwen in dat ik nu alle stappen in het proces beheers en in ons eigen onderzoek kan toepassen.”

Dr. Klazina Kooiman: “Voor het injecteren van de gasbelletjes gebruiken we zelfgemaakte glazen naalden. Het is een hele uitdaging om die onder de microscoop in zo’n klein bloedvat te prikken.”

25 miljoen beelden per seconde

De afdeling Biomedical Engineering beschikt over een unieke camera om de vibratie van de gasbelletjes onder invloed van ultrageluid in beeld te brengen: de Brandaris 128. Hij is genoemd naar de vuurtoren van Terschelling, vanwege de toepassing van hetzelfde optisch systeem: een roterende spiegel. Die stuurt de beelden van de microscoop naar 128 digitale camera’s. Hij kan films tot 25 miljoen beelden per seconde vastleggen. De camera staat in een behuizing van 1,5 bij 1,5 bij 0,3 meter en weegt 150 kilogram. Hij werd gebouwd door technici van het Erasmus MC en de Universiteit Twente.