Laboratorium op postzegelformaat

Je telefoon heeft tegenwoordig meer rekenvermogen dan een computer van tien jaar geleden die honderd keer groter was. Dankzij nieuwe technieken passen er steeds meer schakelingen op een chip. Maar is die miniaturisatie ook mogelijk bij laboratoriumapparatuur die vloeistoffen verwerkt, vroegen wetenschappers zich rond 1990 af. Dan zou misschien een compleet laboratorium op een chip passen. En dat blijkt te kunnen. Een techniek die eindeloos veel toepassingen belooft.

Je eigen mini-laboratorium op een chip
Een heel laboratorium op een chip zo groot als je duimnagel. Die uitvinding kan de hele gezondheidszorg veranderen. Je hoeft geen buisjes bloed meer af te laten nemen in het ziekenhuis, maar laat simpel thuis een druppel bloed op het chipje vallen. Dat koppel je aan een uitleesapparaatje en binnen enkele minuten weet je of je bloedwaarden goed zijn.

Toekomstmuziek? Nee, het is al mogelijk. De Universiteit Twente doet een test met een chip die in een druppel bloed kan meten hoeveel lithium er in zit. Handig voor patiënten die manisch depressief zijn.

Lithium helpt tegen hun klachten, maar teveel is schadelijk en te weinig helpt niet. Patiënten moeten daarom regelmatig hun bloed laten controleren in het ziekenhuis, precies twaalf uur nadat ze hun lithiumpil hebben ingenomen. Lastig te plannen dus, niet te doen! Het minilaboratorium is voor deze patiënten daarom echt een uitkomst.

Dit is maar één voorbeeld, er wordt gewerkt aan allerlei andere minilaboratoria: een vruchtbaarheidstest bijvoorbeeld, of een test die via een drupje bloed kan vaststellen of iemand een hartinfarct heeft. Zo helpt een lab-on-a-chip bij het stellen van snelle diagnoses, gewoon thuis of direct aan het bed.

Scheiden, mengen en meten op een chip
Een lab-on-a-chip (lab op een chip) lijkt een beetje op een computerchip. Maar in plaats van elektrische stroompjes stromen er vloeistoffen doorheen. Het is een plaatje met vloeistofkanaaltjes, zo klein dat er meer dan tien in een millimeter passen. Die kanaaltjes hebben een piepkleine inhoud, er past niet meer in dan een microliter, nanoliter of zelfs picoliter (respectievelijk een duizendste, miljoenste of miljardste milliliter).

Net als in een groot laboratorium bestaat de chip uit verschillende onderdelen die stoffen kunnen scheiden, mengen en meten: schakelaars, kleppen, roerstaafjes, weegschaaltjes, allemaal zo klein dat ze met het blote oog niet te onderscheiden zijn. Zo kan één druppel bloed verdeeld worden over verschillende kanaaltjes en kamertjes, om bijvoorbeeld in één keer verschillende testen te doen. In de lab-on-a-chip game leer je meer over alle ingenieuze systemen in zo’n chip en kun je zelf zo’n mini-lab bouwen.

Andere natuurwetten!
Dat alles zo klein is, heeft grote gevolgen. Bijvoorbeeld doordat op kleine schaal allerlei natuurwetten net even anders werken. Chemische reacties verlopen bijvoorbeeld sneller en de temperatuur is gemakkelijker en sneller te regelen. Ook kan een ultraklein kanaaltje een grote druk aan zonder uit elkaar te klappen. Dat klinkt misschien gek, je zou juist denken dat iets kleins niet stevig is. Maar de kracht die op de wand van een kanaaltje wordt uitgeoefend hangt af van de druk én de oppervlakte (kracht = druk x oppervlakte). Bij het kleine oppervlak van een lab-on-a-chip kanaaltje kan de druk zonder probleem heel groot zijn.

Natuurgetrouw laboratorium
Wetenschappers testen allerlei materialen en technieken om de chips nog beter te maken. Ook in Groningen houden onderzoekers zich bezig met lab-on-a-chips. Hun doel is onder meer om op de chips het menselijk lichaam zo goed mogelijk na te bootsen, wat fundamenteel en toegepast onderzoek sneller, efficiënter en goedkoper kan maken.

Zo heeft scheikundige Sabeth Verpoorte een chip gemaakt met kleine bloedvaten op ware grootte. Daarmee kan ze het gedrag van bijvoorbeeld kankercellen in de bloedbaan veel beter bestuderen dan in het laboratorium tot nu toe mogelijk was, omdat de situatie veel natuurgetrouwer is. In de bloedvaten op de chip gelden dezelfde wetten als in de kleine bloedvaten in het lichaam. Samen met hoogleraar Farmacie Geny Groothuis heeft ze met verschillende chips ook de darmen en de lever nagebootst.

Medicijnen gaan in het lichaam vaak via de lever naar de darm. Door de verschillende chips aan elkaar te koppelen is deze natuurlijke route na te bootsen waardoor het effect van medicijnen gemakkelijker is te testen. En dankzij de manier waarop vloeistoffen in de chips kunnen mengen via diffusie, kan een druppel geneesmiddel direct in verschillende concentraties tegelijk getest worden. Dat scheelt veel tijd.

Kleiner, sneller, beter
Wetenschappers zien veel voordelen van deze lab-on-a-chip techniek. Niet alleen kun je beter het menselijk lichaam nabootsen en heel snel verschillende metingen doen, er is ook veel minder ruimte nodig dan voor een groot laboratorium. Bovendien zijn er minder reagentia (de stoffen waarmee de reacties plaats vinden) nodig, wat het onderzoek goedkoper maakt. Met één druppel medicijn of één druppel bloed is al van alles te meten. Dat levert ook nog minder (giftige) afvalstoffen op.

Een lab-on-a-chip is bovendien gemakkelijk mee te nemen en geeft snel resultaten. Dat betekent minder werkdruk voor ziekenhuislaboratoria en een snellere diagnose – wat mensenlevens kan redden. Als de chips in grote hoeveelheden geproduceerd worden, is de kostprijs per product heel laag, laag genoeg om wegwerp-laboratoria te maken. Dat is een groot voordeel: je weet dan zeker dat er niet per ongeluk nog sporen van vloeistoffen van iemand anders inzitten die de resultaten verpesten.

Colofon
Met bijzondere dank aan Prof. dr. Sabeth Verpoorte. Neem contact op met iemand van Science LinX indien je hier ook genoemd zou moeten worden.

Auteur
René Fransen en Christine Dirkse.