Ontdek de wereld van microfluidics bij VIB

De kracht van miniatuurkanalen

Stel je een wereld voor waar een druppel vloeistof de sleutel vormt om mysteries op cellulair niveau te ontrafelen, of waar complexe biochemische reacties plaatsvinden binnen een netwerk van kanalen kleiner dan een menselijk haar. Deze wereld wordt microfluidics genoemd.

Microfluidics is een geavanceerde technologie waarmee wetenschappers vloeistoffen kunnen manipuleren met ongekende controle en nauwkeurigheid. Slim ontworpen schakelingen spelen een cruciale rol in microfluidics en hun toepassing varieert van gezondheidsdiagnostiek tot milieumonitoring.

Hoewel de vraag naar microfluïdische apparaten stijgt, vereist het ontwikkelings- en fabricageproces gespecialiseerde expertise en infrastructuur – er is geen 'one-size-fits-all' oplossing. Om aan deze vraag te voldoen, werkt VIB sinds 2020 institutioneel samen met het Biosensors lab van Jeroen Lammertyn aan KU Leuven. Deze samenwerking geeft VIB-teams toegang tot de knowhow die nodig is om hun eigen microfluïdische chips te ontwerpen. Projecten worden geselecteerd op basis van verschillende criteria, waaronder innovatie, impact op VIB-onderzoek, diversiteit van projecten, complexiteit, en beschikbare capaciteit.

Iene Rutten, onderzoeker in het Lammertyn lab die werkt aan de VIB-projecten, over de samenwerking: "Voor ons is dit een win-winsamenwerking. We kunnen onze technologie en expertise aanbieden om problemen in de levenswetenschappen op te lossen, maar tegelijkertijd worden we uitgedaagd om nieuwe ontwerpen voor microfluïdische chips en microfabricageprotocollen te ontwikkelen. Met dit initiatief kunnen we de implementatie van microfluidics als een sleuteltechnologie versnellen om het onderzoek in de levenswetenschappen te bevorderen."

Het mogelijk maken van wetenschap

Een van de gebieden waar de samenwerking van VIB met het Lammertyn lab een grote impact heeft, is plantonderzoek. In het verleden was verticale beeldvorming van wortels onmogelijk. Maar nu, door optimalisatie van de RootChip-technologie, krijgen de labs van Daniël Vandamme en Moritz Nowack een uniek zicht op zich ontwikkelende wortels, wat hen in staat stelt de effecten van specifieke stoffen en omgevingsomstandigheden op de gezondheid en groei van zaailingen te testen.

Evelien Mylle van het Van Damme-lab: "Onze microfluïdische opstelling bij PSB stelt ons in staat om het onmiddellijke effect van behandelingen op worteldynamiek (groei, markerexpressie) in real-time te volgen. Plantenwortels worden gekweekt in een RootChip, waarbij de vloeistofstroom wordt gecontroleerd door een microfluïdisch systeem dat is gemonteerd op een confocale microscoop. Deze opstelling maakt het mogelijk om de wortels te laten groeien en ze over een langere periode (dagen) te volgen met een systeem dat de wortelpunt volgt."

Microfluidic set-up at PSB

Detail of RootChip

Links: de microfluidics setup bij PSB; rechts: detail can de RootChip.

Een ander onderzoeksgebied waar VIB-onderzoek microfluidics ontmoet, is microbiologie. Het lab van Jeroen Raes aan het VIB-KU Leuven Center for Microbiology werkt al lange tijd aan het isoleren en karakteriseren van de diversiteit van verschillende menselijke microbële ecosystemen, waarbij het darmmicrobioom het bekendste voorbeeld is. Huidige bulkbenaderingen neigen er echter naar de zeldzame en langzaam groeiende microben eruit te filteren. Om die microbiële 'donkere materie' te ontsluiten, werkt het team aan de optimalisatie van op microfluidics gebaseerde workflows voor de isolatie van anaërobe bacteriën uit menselijke stoelgangstalen.

Geert Huys, van het Raes-lab: "Ondanks hun revolutionaire bijdrage aan het menselijke microbioomveld, kunnen de meeste 'omics'-technologieën niet de functie van individuele micro-organismen valideren. Om deze 'microdiversiteit' op maximaal niveau vast te leggen, rekenen we op microfluidics-gebaseerde single cell analyses om nieuwe biologische vragen aan te pakken op het fijnste functionele niveau van darmecosystemen met cellulaire, metabole, DNA- en RNA-analyses."

Onderzoek naar menselijke gezondheid en ziekte profiteert ook van microfluidics. Het Switch lab aan het VIB-KU Leuven Center for Brain & Disease Research, onder leiding van Frederic Rousseau en Joost Schymkowitz, gebruikt microfluidics om de diagnose van ziekten die worden gekenmerkt door problemen met eiwitaggregatie te verbeteren, zoals neurodegeneratieve ziekten als de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson.

Nikolaos Louros van het Switch-lab legt uit: "De hoeksteen van dit project is, om op basis van microfluidics, een gedigitaliseerde aggregatietest (DIGAS) te ontwikkelen om deeltjes te kwantificeren die als 'zaadje' kunnen dienen voor eiwitaggregatie, afkomstig uit moeilijk te analyseren stalen ​ (patiëntweefselextracten, hersenvocht, bloed). Specifieke kleurstoffen die fluoresceren in aanwezigheid van gevormde aggregaten stellen ons dan in staat om de 'zaai-reactiviteit' met ongekende nauwkeurigheid en gevoeligheid te meten. Vanwege deze extreme gevoeligheid kan deze methode leiden tot een toekomstig diagnostisch platform voor verschillende hersenaandoeningen en ziektestadia."

Het lab van Jan Cools aan het VIB-KU Leuven Center for Cancer Biology onderzoekt ook het potentieel van microfluidics voor hun werk. Meer specifiek willen ze een microfluidisch apparaat ontwikkelen om de kenmerken van witte bloedcellen in bloedstalen te detecteren.

Krista Verhoeft van het Cools-lab: "Een eerste toepassing zal zijn om afwijkingen in bloedstalen snel en eenvoudig te detecteren. De tweede toepassing zal proberen de geneesmiddelgevoeligheid van leukemiecellen te voorspellen bij patiënten. Gewoonlijk vereisen deze tests tijd, meerdere medische professionals, en uitgebreide laboratoriumanalyses. Onze microfluidics-apparaten zouden de benodigde tijd en personeel aanzienlijk verminderen en zowel gebruiksvriendelijk als snel zijn. In de toekomst zou dit een snelle detectie van afwijkingen in bloedstalen bij een doktersafspraak mogelijk maken, en zelfs in landen waar de toegang tot medische professionals beperkt is."

Andere technologieën ondersteunen

Microfluidics is niet alleen een technologie die wetenschap mogelijk maakt; het is ook een technologie die verdere technologische ontwikkeling mogelijk maakt. Verschillende VIB Core Facilities onderzoeken bijvoorbeeld microfluidics om hun dienstenaanbod uit te breiden. De VIB Bioimaging Core Leuven onderzoekt microfluidics om multimodale beeldvorming van hetzelfde weefselstaal op verschillende schalen te ontwikkelen, onze kennis op verschillende niveaus kan verbinden en zo het centrale probleem in beeldvorming overwinnen: het probleem van resolutie versus de grootte van de benodigde stalen.

Sebastian Munck, innovatietechnoloog bij de Bioimaging Core, legt uit: "Ons doel is om een fantoom te bouwen, wat een 3D-teststaal is dat wordt gebruikt in medische beeldvorming om de beeldvormings-eigenschappen van (menselijk) weefsel te simuleren en de kwaliteit van beeldvormingsapparaten te controlen. Het combineren van een 3D-geprint fantoom met microfluidics geeft ons effectief een multimodaal fantoom waarmee we verschillende beeldvormings-benaderingen kunnen testen en valideren die uiteindelijk een sleutelstap zullen zijn bij het genereren van multimodale datasets in de verschillende onderzoeksgebieden bestudeerd bij VIB."

Links: de voordelen van multimodale beeldvorming; rechts: beeldvorming van 'droplets' met DE-FACS.

Gert Van Isterdael, hoofd van de VIB Flow Core, is het eens met Sebastian over het enorme potentieel van microfluidics als een faciliterende technologie.

"We onderzoeken hoe we microfluidics kunnen gebruiken om dubbele emulsie fluorescentie-geactiveerde celscheiding, of DE-FACS, te optimaliseren. Kort gezegd gebruiken we zowel conventionele als beeldgeactiveerde FACS-sorters om druppels met cellen of moleculen waarin we geïnteresseerd zijn bij hoge snelheid te scheiden. We geloven dat het combineren van microfluidics met DE-FACS dit proces sneller en nauwkeuriger kan maken, wat veel VIB-onderzoeksgroepen ten goede zou komen."

Van eiwitaggregaten tot wortels, en van bloedcellen tot microben, microfluidics heeft zeker haar nut bewezen bij VIB en de VIB Technologies’ Core facilities dankzij de samenwerking met het team van Jeroen Lammertyn van KU Leuven.

We kunnen niet wachten om te zien wat de toekomst brengt!

Heb je vragen over het gebruik van microfluidics bij VIB of zie je mogelijkheden ziet om het in je eigen onderzoek te gebruiken? Neem dan gerust contact op met VIB Technologies.

Want to be kept up-to-date on our biotechnological news and stories? Join our community and subscribe to our bi-monthly newsletter.

Gunnar De Winter

Science Communications Expert, VIB

---

[email protected]