Upload
iljavandam
View
217
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
De oorzaak van ziektes ligt vaak op moleculair niveau. Er is te veel of te weinig van een bepaald soort moleculen, moleculen herkennen elkaar niet meer, of cellen reageren verkeerd op signalen van de omgeving. Kunnen inzoomen op verschillende structuren – moleculen, celorganellen, cellen, weefsels en organen – helpt enorm bij het stellen van een diagnose. Het probleem: zo’n megazoomer bestaat niet. Maar beter kijken... dat kan wel. Het Cyttron II onderzoeksconsortium houdt zich bezig met het ontwikkelen van technieken en apparatuur om beter te kunnen kijken. In de uitgave Bioimagingtechnologie voor een betere diagnostiek lees je er alles over.
Citation preview
CYTTRON II
InhoudVoorwoord 3
Google Earth tot in de cel: ‘Zo ziet het er bij jou ook uit’ 4
Cyttron II in vogelvlucht 8
Maximaal inzoomen zonder risico 10
Microscoopglaasjes gaan digitaal 12
Een moleculaire kaart van het weefsel 17
Cellen in 3D 18
‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’ 21
Cyttron II partners 24
Colofon 25
Deze uitgave kwam tot stand in samenwerking met NEMO Kennislink, de populair-wetenschappelijke
website voor het Nederlandse taalgebied. Voor meer actuele informatie en nieuws over onderwerpen in
dit boek, raadpleeg: www.nemokennislink.nl/partners/cyttron2, of één van de volgende thema’s:
www.nemokennislink.nl/thema/er-vroeg-bij-zijn
www.nemokennislink.nl/thema/medicijnen-op-maat
Voor meerinformatie klik op de links en de ikonen
CYTTRON II
Voorwoord
Voor u ligt een fraai boek over de baanbrekende
resultaten die zijn geboekt binnen het LSH-FES-
project Cyttron II. LSH staat voor ‘Life Sciences
& Health’, oftewel de toepassing van de levens-
wetenschappen voor onze gezondheid, en FES
voor ‘Fonds Economische Structuurversterking’,
de zogenoemde aardgasbaten.
Cyttron II begon zijn activiteiten in 2010, na goed-
keuring door de Nederlandse overheid van een over-
koepelend voorstel. Dit voorstel werd ingediend door
een consortium van vele partners – waaronder kleine
en middelgrote bedrijven, multinationals, universi-
taire en medische onderzoeksgroepen, patiënten-
organisaties, en de ministeries van VWS, OCW en
EZ. De FES-subsidie werd ingezet om tot een
publiek-private samenwerkingsverband te komen:
tegen elke euro subsidie van de overheid werd ook
een euro door de partners geïnvesteerd. Na zes jaar
hard werken zijn de resultaten direct inzetbaar voor
patiënten, of kunnen ze worden gebruikt voor onder-
zoek dat heel dicht bij patiënten staat. Hiermee heeft
het consortium aangetoond dat het de onderzoeks-
gelden optimaal heeft ingezet om bij te dragen aan
het verbeteren van de nationale gezondheid, en voor
het aanjagen van de economische bedrijvigheid in
Nederland.
Veel van deze resultaten vindt u terug in dit boek.
U zult versteld staan van de ontwikkelingen in
dit boeiende vakgebied. Ik wens u dan ook veel
leesplezier!
Herman Verheij
L S H - F E S S E C T O R C O Ö R D I N A T O R
Veel ziekten worden veroorzaakt doordat er iets
misgaat in onze cellen. Er is te veel of te weinig van
een bepaald soort moleculen, moleculen herkennen
elkaar niet meer, of cellen reageren verkeerd op
signalen van de omgeving. Dat soort fouten op
microscopisch en zelfs atomaire schaal kunnen grote
gevolgen hebben, van verkoudheid tot een dodelijke
ziekte, van reuma tot kanker. Stel dat het mogelijk
zou zijn om in atomair detail naar de cellen van een
patiënt te kijken, dan zouden we misschien kunnen
zien wat er misgaat. En wanneer we dat begrijpen,
kunnen we hopelijk ook daadwerkelijk ingrijpen.
Helaas is het niet mogelijk om een supermicroscoop
te maken met een onbeperkte zoomlens, waarmee
we op een patiënt zouden kunnen inzoomen totdat
we organen tot in atomair detail kunnen waarne-
men. Wat wel kan, is om verschillende technieken
te combineren, en zo toch een alomvattend beeld
te maken van wat er misgaat. MRI voor de organen,
een lichtmicroscoop voor de cellen, een elektronen-
microscoop voor de moleculen en röntgendiffractie
voor de atomen. Een samenwerking van bedrijven
en universiteiten werkt in het Cyttron II-consortium
aan manieren om dergelijke beelden efficiënt te
verzamelen, te onderzoeken en samen te voegen
tot een alomvattend begrip.
Jan-Pieter Abrahams
H O O G L E R A A R A A N D E U N I V E R S I T E I T E N V A N B A S E L E N L E I D E N E N P R O G R A M M A D I R E C T E U R C Y T T R O N I I
3
CYTTRON II
“Raak me aan”, nodigt het scherm uit. Als je dat
doet, blijven er van al die vissen één zebravisje en
een embryo over. Met je handen kun je steeds dieper
inzoomen op een doorsnede van het embryo. Het
vult al snel het hele scherm. In zwart-wit zie je de
organen, de hersenen, spieren, het oog. Je ziet zelfs
een bacterie zo groot als een knikker in de darm. Ver-
geleken met de bacterie is de darmcel kolossaal. Als
je nog verder inzoomt, kijk je tot diep in die cellen.
Je kunt de mitochondriën – de energieleveranciers –
zien, de celkern met het dna, en als kleine bolletjes
de ribosomen die de eiwitten in elkaar sleutelen.
Twee keer het MalieveldIn een verlicht, rond venstertje naast het scherm zijn
embryo’s van zebravisjes te zien: zwarte puntjes met
een glazen staartje eraan, nog geen anderhalve milli-
meter lang. “Om zo diep in de cellen te kunnen kij-
ken moet je zo’n embryo vijfhonderdduizend keer
vergroten”, vertelt Ilse van Zeeland, inhoudsont-
wikkelaar van de tentoonstelling. “In die maximale
vergroting ben je ingezoomd op een foto van acht-
honderd bij vierhonderd meter, bijna twee keer zo
groot als het Malieveld.”
Dertigduizend foto’sDe foto is gemaakt in het Leids Universitair Medisch
Centrum (LUMC). Op de afdeling Elektronenmicro-
scopie is het zebravisje in een beweegbare houder
onder de elektronenmicroscoop gelegd. In een ge-
automatiseerd proces zijn er in vierenhalve dag van
kop tot staart dertigduizend foto’s gemaakt, terwijl
precisiemotortjes de houder met het visje miniem
in twee richtingen verschoven voor iedere volgende
opname. Software met een binnen het LUMC ont-
wikkeld “stitching”-algoritme, plakte op basis van
die onderlinge verschuivingen de beelden nauw-
keurig aan elkaar tot de digitale megafoto. Het grote
“touchscreen” en de zoomsoftware zijn ontwikkeld
in Naturalis.
tekst: Joost van der Gevel beeld: Naturalis
Introductie
Google Earth tot in de cel: ‘Zo ziet het er bij jou ook uit’
Op de bovenste verdieping van Naturalis hangt – in gezelschap van de wolf
van Luttelgeest, stier Herman, een dodo en het skelet van de Plateosaurus –
een metersgroot televisiescherm met rustig zwemmende vissen aan de muur:
de Cel Zoomer. Wie wil weten waar het Cyttron II-consortium zich de afgelopen
jaren mee bezig heeft gehouden, krijgt daarmee een introductie in vogelvlucht.
4
CYTTRON II
De samenwerking was een project van het Cyttron II-
consortium. Dit consortium wil inzicht krijgen in de
manier waarop moleculaire veranderingen doorwer-
ken in het lichaam en op de gezondheid, om nieuwe
diagnostiek en behandelingen te kunnen ontwikke-
len. Data van verschillende beeldvormende technie-
ken worden daarvoor samengebracht tot één data-
base met een driedimensionaal totaaloverzicht van
moleculair niveau, via de cel, tot het orgaan en het
hele organisme. De Cel Zoomer is illustratief voor dit
streven naar het “totaalplaatje”.
Mens, muis of visMaar waarom stelt Naturalis de Cel Zoomer tentoon?
“Dit is de zaal ‘Onderzoek in uitvoering’. We wilden
het publiek laten kennismaken met de microwereld”,
verklaart Van Zeeland. “Hoe dieper je inzoomt, hoe
meer alle organismen op elkaar lijken. ‘Zo ziet het er
bij jou ook uit’, willen we bezoekers meegeven. Het
maakt niet uit of je een mens, muis, vis of ander dier
onder de microscoop legt. De cellen zien er bijna
hetzelfde uit. En door het fysiek te maken met
zoomen – een principe dat ze kennen – willen we
begrip kweken hoe klein het allemaal is.”
Lichtgevoelige staafjesJe kan op iedere willekeurige plek in het visje inzoo-
men. Een paar blauwe stippen – hotspots – geven
aan dat er iets te zien is met uitleg erbij. Van Zeeland
zoomt in op de lichtgevoelige staafjes in het oog.
“… in jouw ogen zitten ook zulke cellen”, zegt de
vertelstem uit het scherm. De Cel Zoomer is volgens
Van Zeeland ook heel geschikt voor onderwijs. “In
medische en biologieleerboeken is doorgaans alles
per orgaan geordend. Hier kun je anatomisch naar
bijvoorbeeld het hersengebied toe en dan inzoomen.
Eigenlijk zou iedere universiteit zoiets moeten
hebben voor het biologieonderwijs.” In het LUMC
wordt een variant op de Cel Zoomer ontwikkeld die
gebruikt zou kunnen worden in de practica.
Zoom in op een volwassen zebravis.
5
CYTTRON II
a
b
e f
i j
a Zwemmende zebravisjes. b Zebravisembryo. c Zebravisembryo. d Lichtgevoelige cellen in het oog.
e Hersencellen. f Kraakbeencel, het zwarte bolletje is de celkern. g Darmcellen, met vingerachtige uitstulpingen. h Een bacterie in de darm.
i Spiercellen. j Dit lijkt ook een cel, maar hier is een onderdeel van een k De kleine bolletjes zijn ribosomen. l Mitochondriën. cel zichtbaar: de celkern met DNA.
Van groot naar klein
6
CYTTRON II
d
c
hg
lk
Google Earth tot in de cel: ‘Zo ziet het er bij jou ook uit ’
a Zwemmende zebravisjes. b Zebravisembryo. c Zebravisembryo. d Lichtgevoelige cellen in het oog.
e Hersencellen. f Kraakbeencel, het zwarte bolletje is de celkern. g Darmcellen, met vingerachtige uitstulpingen. h Een bacterie in de darm.
i Spiercellen. j Dit lijkt ook een cel, maar hier is een onderdeel van een k De kleine bolletjes zijn ribosomen. l Mitochondriën. cel zichtbaar: de celkern met DNA.
7
CYTTRON II Infographic
tekst: René Rector beeld: Parkers
Kleiner kijkenRöntgendiffractie werpt zicht
op de atoomstructuur van
moleculen. Daarvoor moet je
ze laten kristalliseren. Maar
voor nanokristallen (kleiner dan
een duizendste millimeter) werkt
deze techniek niet. Cyttron II laat
zien dat elektronendiffractie de
structuur van nanokristallen
zichtbaar maakt.
Meer zien met minder “licht”Biologische moleculen maak je zichtbaar met een elektronen-
microscoop. Je “kijkt” met een bundel elektronen. Maar die
elektronen beschadigen dat wat je wilt zien. Een nieuwe
detector, waarmee je minder elektronen
nodig hebt om een plaatje te maken,
brengt uitkomst.
3DWeefselcoupes bekijk je normaliter
in het platte vlak. Een nieuwe scan-
techniek maakt het mogelijk ook op
weefselniveau een 3D scan te maken.
Cyttron II in vogelvluchtDe oorzaak van ziektes ligt vaak op moleculair niveau.
Kunnen inzoomen op verschillende structuren – moleculen,
celorganellen, cellen, weefsels en organen – helpt enorm
bij het stellen van een diagnose. Het probleem: zo’n
megazoomer bestaat niet. Maar beter kijken... dat kan wel.
8
CYTTRON II
“Zoomen”Idealiter zou je van organen tot moleculen willen zoomen
in het weefsel van een patiënt. Er is geen techniek die dat
kan. Wat wel kan: software waardoor
verschillende technieken met elkaar
gecombineerd worden tot een
coherente verzameling beelden.
AutomatiserenSommige taken van een patho-
loog zijn ouderwets handwerk.
Een coupemachine die de
coupes direct scant, kleurt en
een begin met de analyse maakt,
maakt het pathologenwerk een
stuk efficiënter.
Beelden combineren Niet alles wat je zou willen zien,
is in een foto te vangen.
Door tegelijkertijd een analyse
te maken met een massaspectro-
meter en de beelden te combineren,
krijgt een onderzoeker veel meer
informatie over wat hij ziet: waar
cellen bezig zijn met delen
bijvoorbeeld.
9
CYTTRON II Case study
Structuurbiologen houden zich graag bezig met het
ontrafelen van de opbouw van eiwitten en andere
ingewikkelde vormen als ribosomen of virussen.
De functie van een stof heeft namelijk alles te maken
met zijn vorm. Eiwitten, de werkpaarden van een
cel, zijn bijvoorbeeld kunstig gevouwen op een
manier die past bij hun functie. Om te begrijpen
wat ze precies doen moet je goed weten hoe ze eruit-
zien. Dat geldt ook voor virussen of zelfs medicijnen.
Dik aluminiumfolieMet het blote oog zijn die stoffen niet te zien. Voor
een lichtmicroscoop zijn ze ook te klein. Een manier
om ze te kunnen bestuderen is met röntgenstraling,
maar dan moet je eerst een kristalstructuur kunnen
maken van het object dat je wilt bestuderen. Dat
lukt met lang niet elk materiaal. Een andere manier:
de elektronenmicroscoop. Dat apparaat gebruikt
elektronen om het voorwerp af te beelden. Een bun-
del versnelde elektronen wordt in een vacuüm buis
afgeschoten op het object. Elektronen die door het
preparaat heen gaan worden sterk vergroot, zoals
dia’s in een projector, en vervolgens geregistreerd en
vastgelegd in een beeld met behulp van een camera.
Met een elektronenmicroscoop kun je goed een
3D-beeld krijgen van een object, wat essentieel is
om de vouwing van een eiwit of de mantel van een
virus in kaart te brengen.
Elektronenmicroscopen hebben het de afgelopen
decennia een stuk makkelijker gemaakt voor bio-
logen om onze kleinste bouwstenen te onderzoeken.
De techniek gaat met sprongen vooruit: tien jaar
geleden was het kleinste detail dat je ermee kon
bekijken nog tien keer zo groot als nu. Tot een paar
tienden nanometer kun je met een elektronenmicro-
scoop zichtbaar maken; in één nanometer passen
ongeveer vijf atomen. Ter vergelijking: een bacterie
meet zo’n tweeduizend nanometer en aluminium-
folie is tienduizend nanometer dik.
Dunne chipsEr kleven echter twee nadelen aan het gebruik van
een elektronenmicroscoop voor biologische structu-
ren. “Allereerst bewegen moleculen bij lichaams-
of kamertemperatuur alle kanten op. Daarnaast
worden objecten snel kapot geschoten door elektro-
nen”, zegt Frank de Jong, directeur Partnerships van
tekst: Rineke Voogt
Maximaal inzoomen zonder risico
Wie wil inzoomen op eiwitten, DNA of andere kleine
structuren, gebruikt een elektronenmicroscoop. Daarmee
kun je veel detail waarnemen. Maar er is een probleem:
hoe meer detail, hoe meer elektronen je op je preparaat
moet afvuren – en daarvan gaan structuren juist stuk.
10
CYTTRON II
microscooptechnologiebedrijf FEI (Field Electron
and Ion Company). Het eerste probleem kun je vrij
eenvoudig oplossen met cryo-elektronenmicrosco-
pie: maak het object koud, zodat het vastgevroren
zit. Als je je sample snel genoeg afkoelt tot -196
graden Celsius, krijg je geen vervelende ijskristallen
die de boel stukmaken. Het tweede probleem is
lastiger: biologische structuren zijn erg fragiel.
Je wilt dus met zo laag mogelijke doses elektronen
toch nog voldoende informatie verzamelen.
Binnen het onderzoeksconsortium Cyttron II
ontwikkelden ze daarom bij FEI in samenwerking
met de Universiteit Leiden een nieuwe camera
als aanvulling op de cryo-elektronenmicroscoop
“Titan”. De camera, Falcon gedoopt, zorgt ervoor
dat het object beter in beeld komt zonder dat
er meer elektronen gebruikt hoeven worden.
“Eigenlijk werkt het niet zoveel anders dan een
normale camera – maar dan met elektronen in
plaats van licht”, zegt De Jong. Elektronen die door
het preparaat heengaan komen op een chip in de
camera terecht, die verdeeld is in pixels. Normaal
zorgt dat voor veel ruis; elektronen, vol energie, zijn
lastig af te stoppen en raken daardoor verstrooid.
Dan kan het gebeuren dat ze niet één, maar meer-
dere pixels markeren. In de Falcon is dat opgelost
door de chip heel dun te maken. De Jong legt uit:
“Elektronen gaan erdoorheen, en laten een signaal
achter dat ze er geweest zijn. Zo verspreiden ze zich
minder”. Door bovendien de camera te koelen, zorg
je voor nog minder ruis.
Movie-modusDat de camera een uitkomst is voor onderzoekers
kan Marin van Heel, hoogleraar Data-analyse voor
cryo-elektronenmicroscopie aan de Universiteit
Leiden, beamen. “Door de hoge gevoeligheid van
de camera heb je vier keer minder elektronen nodig
om een goed beeld te krijgen. Een ander voordeel
is de ‘movie-modus’: je kunt tien plaatjes van je
object maken in een seconde. Door die beelden
achter elkaar te zetten krijg je een beter beeld.”
Bovendien kun je hiermee “de hele soep bekijken”,
zegt Van Heel. “De moleculaire machientjes in je
preparaat hebben verschillende functionele toestan-
den. Een enzym kan bijvoorbeeld aan een substraat
zijn verbonden om een reactie te versnellen, of al
zijn teruggekeerd in zijn oorspronkelijke toestand.
Je wilt al die toestanden in 3D kunnen zien.”
Een directe toepassing van de techniek is ontwik-
keling van medicijnen. Van Heel: “Denk maar aan
een antibioticum. Je kunt heel precies zien hoe
de stof iets bij een bacterie blokkeert. Zo kun je
gerichter medicijnen ontwikkelen.” Met behulp
van de Falcon kan ook een virus als HIV nog beter
in kaart worden gebracht, om beter te begrijpen
hoe het virus zich gedraagt.
Reconstructie van een actinefilament, een aaneenschakeling van eiwitten. Het cytoskelet van de cel wordt eruit opgebouwd. Het beeld is gebaseerd op gegevens verzameld door een Titan elektronen-microscoop met Falcon camera.
BE
EL
D:
JUL
IAN
VO
N D
ER
EC
KE
N/
NA
TU
RE
Elektronenmicroscoop Titan met ingebouwde camera Falcon.
11
CYTTRON II Interview
tekst: Elles Lalieu
Het IntelliSite systeem van Philips bestaat uit een glaasjesscanner (links), een beeldbeheersysteem en software.
12
CYTTRON II
Microscoopglaasjesgaan digitaal
De hele wereld gaat digitaal. Op steeds meer plekken wordt er gewerkt
met razendsnelle computers en andere slimme apparatuur. Maar niet op
de pathologieafdeling van een ziekenhuis. De patholoog typt zijn verslag
op de computer, maar verder is zijn bureau gevuld met een microscoop
en vele microscoopglaasjes met preparaten die bekeken moeten worden.
13
CYTTRON II
Pathologie speelt een cruciale rol in het bepalen van
het ziektebeeld, met name bij diagnose van kanker.
Verdachte weefselmonsters worden met een micro-
scoop onderzocht om te bepalen of het tumorweefsel
kwaadaardig is. Aan de hand daarvan brengt de
patholoog advies uit over de behandeling van de
patiënt.
“De microscoop blijft natuurlijk een fantastisch
apparaat, maar er zitten nadelen aan de logistiek van
preparaten op glas”, vertelt Dirk Verhagen, onder-
zoeker en ontwikkelaar bij Philips. “Je kunt beelden
kwijt raken, bijvoorbeeld doordat glaasjes breken of
doordat je het preparaat doorstuurt naar een specia-
list voor een consult.” Om de opslag en het delen
van pathologische beelden makkelijker te maken,
ontwikkelde Philips als onderdeel van het Cyttron
II-onderzoeksprogramma de IntelliSite digitale
pathologie-oplossing. Het systeem bestaat uit een
glaasjesscanner, een beeldbeheersysteem en soft-
ware waarmee de patholoog de beelden kan delen
en beoordelen.
Behoorlijke datavolumesIn het bezoekerscentrum in Best demonstreert
Verhagen hoe het systeem werkt. Hij plaatst een
microscoopglaasje in de scanner, doet de deur dicht
en drukt op “start”. Ongeveer een minuut later is
de scan klaar. De eerste scanners deden een halfuur
over zo’n glaasje. Deze scanner kan driehonderd
glaasjes in vijf tot acht uur verwerken. “Dat maakt
dat scannen aantrekkelijk is geworden voor patho-
logisch onderzoek”, vindt Verhagen.
Niet alleen de duur van het scannen is flink naar
beneden gebracht, ook de opslag van de beelden die
eruit rollen is nu betaalbaar. “Afhankelijk van wat je
precies scant, komen er databestanden uit variërend
van 0,5 tot 4 of 5 gigabyte (GB). Dat zijn behoorlijke
datavolumes, die je allemaal ergens moet opslaan.
Dat kan nu voor een redelijke prijs. Soms is het zelfs
al goedkoper dan het opslaan van microscoopglaas-
jes in een archief, zoals dat nu gebeurt”, vertelt
Verhagen.
“Bladeren” door weefselImagingspecialist Jelte Vink van Philips was verant-
woordelijk voor de ontwikkelingen aan het digitale
pathologiesysteem. “Het apparaat was er al. Wat
we de afgelopen vier jaar met name gedaan hebben,
zijn updates van de software waardoor het mogelijk
wordt om beelden naast elkaar te leggen of op
dezelfde plek in een preparaat naar verschillende
kleuringen te kijken”, legt hij uit. Verhagen kan
dit direct demonstreren met beelden die eerder
op de computer zijn opgeslagen. Stel; de arts heeft
een stukje weefsel weggenomen bij een patiënt en
wil graag weten of het een tumor is en hoe die tumor
dan groeit. De patholoog maakt hele dunne plakjes
van het weggenomen weefsel en prepareert die alle-
maal op een eigen glaasje. Door de glaasjes één voor
één te bekijken, valt iets te zeggen over de locatie
van de tumor. Bijvoorbeeld of hij oppervlakkig zit
of juist diep in het weefsel.
“Na het scannen van de glaasjes kun je beelden naast
elkaar leggen en ook aan elkaar linken”, legt Verha-
gen uit. “Virtueel kun je de verschillende plakjes dus
weer op elkaar leggen en zo als het ware door het
weefsel heen ‘bladeren’. Dan kun je met veel grotere
precisie zeggen hoe een tumor bijvoorbeeld in de
diepte groeit.”
Gevoelige tumorcellenBij het prepareren van microscoopglaasjes krijgt
ieder plakje weefsel zijn eigen kleuring. En met
iedere kleuring kun je verschillende dingen aanto-
nen. Met de computer kun je nu heel precies twee
verschillende kleuringen van hetzelfde gebied naast
elkaar leggen. Verhagen laat het zien. Op het eerste
FO
TO
: P
HIL
IPS
IN
TE
LL
ISIT
E P
AT
HO
LO
GIS
T S
UIT
E
14
CYTTRON II Microscoopglaasjes gaan digitaal
glaasje zijn de celranden aangekleurd met roze en
de celkernen met blauw-paars. “Met zo’n kleuring
kun je zien of je te maken hebt met kanker”, vertelt
hij. “Het weefsel ligt dan niet mooi geordend, maar
toont een wildgroei van cellen. Gebieden die hele-
maal blauw-paars lijken te kleuren, markeren het
tumorweefsel.”
Op het tweede glaasje is een bruine kleuring
gebruikt, die aangeeft of een patiënt ontvankelijk is
voor hormoonbehandeling. Wat je aan dit voorbeeld
ziet, is dat de gebieden die op het eerste glaasje
blauw-paars kleurden op het tweede glaasje bruin
kleuren. Dat betekent dat deze patiënt tumorcellen
heeft die ontvankelijk zijn voor hormoonbehande-
ling. Verhagen: “Dat is belangrijk om te weten, want
dergelijke chemotherapie (bijvoorbeeld het medicijn
Herceptin) kan consequenties hebben voor het
functioneren van het hart. Dus dat wil je niet zomaar
geven aan een patiënt die het niet nodig heeft.”
Centraal scannenHet naast elkaar leggen en linken van beelden is
iets dat met losse microscoopglaasjes niet mogelijk
is. Daarnaast heeft het digitale pathologiesysteem
nog een belangrijk pluspunt: het delen van beelden
is heel makkelijk. “Er zijn wel microscopen waar je
met twee tot tien personen tegelijkertijd naar het-
zelfde preparaat kunt kijken, maar dan moet je nog
steeds met z’n allen om tafel zitten”, zegt Verhagen.
Binnen het LSH-FES-onderzoeksproject tEPIS is
gewerkt aan een oplossing om opgeslagen beelden
overal beschikbaar te maken. Het enige dat je nodig
hebt, is een internetbrowser. Twijfel je over een
Screenshot van een Herceptinkleuring. Door dit plaatje naast een standaard celkleuring te leggen, kan een patholoog direct zien of de tumorcellen van een patiënt ontvankelijk zijn voor hormoonbehandeling.
FO
TO
: P
HIL
IPS
IN
TE
LL
ISIT
E P
AT
HO
LO
GIS
T S
UIT
E
15
CYTTRON II Microscoopglaasjes gaan digitaal
preparaat, dan kun je direct een patholoog aan de
andere kant van het land inschakelen. Dat is redelijk
revolutionair.
Het delen van beelden maakt mogelijk dat prepare-
ren van microscoopglaasjes wordt gecentraliseerd.
Als alle beelden overal beschikbaar zijn, heeft
immers niet iedereen zijn eigen glaasjes meer nodig.
Volgens Verhagen is die centralisatie kosteneff ectief;
het kan tonnen of miljoenen schelen. “Het laborato-
rium scant alles in en per casus kan een patholoog
worden toegewezen. Binnen de pathologie heb je
15 tot 25 specialismen, maar die heb je als ziekenhuis
nooit allemaal in huis. Als de beelden gelijk naar de
juiste specialist gestuurd worden, krijg je scherpere
diagnoses. Bij de veterinaire pathologie zie je dit al
gebeuren”, vertelt hij.
Philips heeft op dit moment al veel digitale patho-
logiesystemen verkocht. Ze staan onder andere
in Nederland, België, Duitsland, Engeland, Oosten-
rijk, de Verenigde Staten en Singapore. Ze worden
gebruikt voor diagnostiek en onderzoek. “Een
mooi voorbeeld van diagnostiek is Hengelo”, zegt
Verhagen. “Daar is een laboratorium waar ze alles
scannen, dus daar hebben ze een aantal scanners
staan.” Sowieso merkt hij de laatste jaren dat de
interesse voor het scannen toeneemt. “Zelfs mensen
die verknocht zijn aan hun microscoop zeggen nu:
‘Het is niet de vraag óf hij gaat verdwijnen, maar
wanneer’.”
Beelden sorterenMet het digitale pathologie systeem kan nu al meer
dan met een microscoop, maar het apparaat moet
in de toekomst nog veel slimmer worden. Onder-
zoekers zijn hard bezig om honderdduizenden oude
microscoopglaasjes uit archieven te digitaliseren.
“We weten al wat er met die patiënten is gebeurd en
daar kunnen computers van leren”, legt Verhagen
uit. “Misschien is het wel zo dat het vetweefsel bij
een bepaald type tumor anders groeit. De patholoog
heeft daar waarschijnlijk nooit zo naar gekeken
omdat hij geen voorbeelden van hetzelfde tumortype
uit het archief kan halen om ze naast elkaar te
onderzoeken.”
Ook kan de computer het werk van de patholoog
makkelijker maken. Bijvoorbeeld bij het zoeken naar
uitzaaiingen. Verhagen: “De patholoog verwijdert
een stukje van een lymfeklier en maakt daar tien
tot vijftig glaasjes van. Die kun je allemaal bekijken,
maar één ‘hit’ is in principe voldoende om aan te
tonen dat er uitzaaiingen zijn. Wat de computer
kan doen, is een voorselectie maken van de beelden
zodat de patholoog de meest ‘verdachte’ beelden het
eerst te zien krijgt.”
De snelheid van pathologiescanners is enorm toegenomen. De eerste scanners deden een halfuur over één microscoopglaasje. Nu worden driehonderd glaasjes binnen vijf tot acht uur verwerkt.
16
CYTTRON II Case study
Met een massaspectrometer kun je moleculen identifi ceren. Met een lichtmicroscoop kun je structuren in een weefsel zichtbaar maken. Koppel die twee aan elkaar en je kunt een moleculaire kaart van het weefsel maken, waarop precies is te zien waar bepaalde moleculen zich bevinden en hoe ze beïnvloed worden door ziekten.
Deze techniek heet imaging massaspectrometrie.
Imaging massaspectrometrie komt van pas bij alle
aandoeningen waarbij moleculaire veranderingen
een rol spelen. Je kunt bijvoorbeeld kijken naar de
locatie van neurotransmitters in de hersenen van
muizen of naar de verdeling van bepaalde moleculen
die als medicijn kunnen dienen. Er zijn ook meer
diagnostische mogelijkheden, bijvoorbeeld bij
kanker. Een delende kankercel ziet er op het oog
hetzelfde uit als een kankercel die bijna doodgaat,
maar de chemische inhoud van die twee cellen is
heel anders.
“Ons systeem analyseert
de chemische inhoud van
weefsel met een massaspec-
trometer en koppelt die ana-
lyse aan microscoopbeelden
van hetzelfde weefsel”, legt
Liam McDonnell van het
Leids Universitair Medisch
Centrum uit. “Daardoor
ontstaat een goed inzicht
in de exacte locatie van
moleculen in het weefsel.”
Binnen de scope van Cyttron II werkte McDonnell
met zijn team vooral aan de automatisering van
het scanproces. Het grote voordeel van de robot
die ze ontwikkelden, is de snelheid. “Enkele jaren
geleden moest je het materiaal van iedere patiënt
handmatig in de massaspectrometer laden. Nu is
de massaspectrometer uitgerust met een ‘hotel’
waar negentig monsters op hun beurt kunnen
wachten. Op die manier maken we de techniek
beschikbaar voor een groot aantal patiënten”,
vertelt McDonnell.
En dat is belangrijk, want moleculaire veranderin-
gen kunnen behulpzaam zijn bij het stellen van een
diagnose of het vaststellen van een prognose voor
patiënten. Door individueel naar de samenstelling
van moleculen in het weefsel te kijken, kan een
behandeling beter op de patiënt worden afgesteld.
Daardoor wordt deze gecombineerde scantechniek
een stuk eenvoudiger praktisch toe te passen.
Een moleculaire kaart van het weefsel
Doorsnede van het menslijk lichaam, gemaakt met behulp van imaging massaspectrometrie.
tekst: Elles Lalieu beeld: Imabiotech
17
CYTTRON II Beeldreportage
Binnen de pathologie wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van scanners. Meestal zijn dat scanners die een 2D-beeld van het weef-sel maken. Als je dunne plakjes bekijkt is 2D voldoende, maar bij dikkere plakjes weefsel is 3D-beeld noodzakelijk. Philips en de TU Delft werken nu aan een scanner die in één keer een 3D-plaatje van weefsel kan maken.
Nog voor de start van het onderzoeksproject Cyttron II ontwikkelde Philips een bijzondere sensor. “Met die sensor werd het mogelijk om tegelijkertijd verschillende dieptes vast te leggen”, vertelt Bas Hulsken, digitale-pathologiespecialist bij Philips. “Bestaande scanners maken een aan-tal 2D-plaatjes en stellen op basis daarvan een 3D-reconstructie samen. Deze nieuwe scanner maakt het mogelijk om in één keer dat 3D-plaatje te maken. Daardoor is het apparaat veel sneller dan de scanners die er nu zijn en dat is uiteindelijk gunstig voor patiënten die op een diagnose zitten te wachten.”
De 3D-scanner komt vooral van pas binnen de cytopathologie, diagnose op celniveau. Hulsken spreekt zelfs van een noodzakelijkheid. “Binnen de cytopathologie kijk je vaak naar vloeibare monsters, bijvoorbeeld hele cellen die zijn opge-lost in een vloeistof. Zo’n monster kan tientallen micrometers dik zijn, terwijl de plakjes die binnen de histologie gebruikt worden vaak maar vijf of zes micrometer dik zijn. Zo’n dun plakje krijg je met een 2D-scanner nog wel redelijk in focus, hoewel de 3D-scanner dan waarschijnlijk ook een betere beeldkwaliteit geeft. Maar bij die dikke plakken krijg je met de 2D-scanner maar een beperkt aantal cellen scherp.”
Op de foto: Promovendus Mojtaba Shaker (TU Delft) bij de experimentele set-up van de 3D-scanner.
Cellen in 3D
tekst: Elles Lalieu
Beeldreportage
18
CYTTRON IICYTTRON II Beeldreportage
Binnen de pathologie wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van scanners. Meestal zijn dat scanners die een 2D-beeld van het weef-sel maken. Als je dunne plakjes bekijkt is 2D voldoende, maar bij dikkere plakjes weefsel is 3D-beeld noodzakelijk. Philips en de TU Delft werken nu aan een scanner die in één keer een 3D-plaatje van weefsel kan maken.
Nog voor de start van het onderzoeksproject Cyttron II ontwikkelde Philips een bijzondere sensor. “Met die sensor werd het mogelijk om tegelijkertijd verschillende dieptes vast te leggen”, vertelt Bas Hulsken, digitale-pathologiespecialist bij Philips. “Bestaande scanners maken een aan-tal 2D-plaatjes en stellen op basis daarvan een 3D-reconstructie samen. Deze nieuwe scanner maakt het mogelijk om in één keer dat 3D-plaatje te maken. Daardoor is het apparaat veel sneller dan de scanners die er nu zijn en dat is uiteindelijk gunstig voor patiënten die op een diagnose zitten te wachten.”
De 3D-scanner komt vooral van pas binnen de cytopathologie, diagnose op celniveau. Hulsken spreekt zelfs van een noodzakelijkheid. “Binnen de cytopathologie kijk je vaak naar vloeibare monsters, bijvoorbeeld hele cellen die zijn opge-lost in een vloeistof. Zo’n monster kan tientallen micrometers dik zijn, terwijl de plakjes die binnen de histologie gebruikt worden vaak maar vijf of zes micrometer dik zijn. Zo’n dun plakje krijg je met een 2D-scanner nog wel redelijk in focus, hoewel de 3D-scanner dan waarschijnlijk ook een betere beeldkwaliteit geeft. Maar bij die dikke plakken krijg je met de 2D-scanner maar een beperkt aantal cellen scherp.”
Op de foto: Promovendus Mojtaba Shaker (TU Delft) bij de experimentele set-up van de 3D-scanner.
Cellen in 3D
tekst: Elles Lalieu
Beeldreportage
19
CYTTRON II Cellen in 3D
Naast dikke stukken weefsel kan de 3D-scanner ook een belangrijke rol spelen bij bijzondere metingen. Hulsken noemt fl uorescentie als voorbeeld. Het is mogelijk om fl uorescerende markers aan het genetisch materiaal (DNA of RNA) van cellen te hangen. Die markers worden bij het scannen herkend en op de afbeelding kan de patholoog het aantal markers tellen en zo dingen te weten komen over belangrijke veranderingen in het genetische materiaal van de cel. “Met een 2D-scanner kunnen die markers op elkaar liggen en zie je ze dus niet allemaal. Met een 3D-scanner heb je dat probleem niet omdat je van alle kanten kunt kijken”, vertelt Hulsken.
Binnen Cyttron II werkt Hulsken samen met Sjoerd Stallinga, imagingspecialist aan de Technische Universiteit Delft. Ze besteedden veel tijd aan het geschikt maken van de scanner voor digitale pathologie. “Normaal scant een apparaat in drie kleuren (rood, groen en blauw), omdat dat voldoende is voor een kleurweergave ten behoeve van het menselijk oog”, legt Stallinga uit. “Iedere kleur die een mens kan zien, kun je namelijk opbouwen uit de kleuren rood, groen en blauw. Het apparaat kan nu tot vijf kleuren scannen. De computer krijgt daardoor dingen zichtbaar die voor het menselijk oog onzicht-baar zijn. De bedoeling is dat die toevoeging zorgt voor extra informatie die relevant is voor de diagnose van patiënten.”
De 3D-scanner is uit de onderzoeksfase. Begin 2016 moet de eerste serie testmodellen van de band rollen. Hulsken en Stallinga willen de rest van dat jaar gebruiken om de kinder-ziektes uit het systeem te halen. Hopelijk kan het apparaat dan in 2017 echt richting pathologie-afdelingen en onderzoeklabs. Hulsken richt zich daarbij niet op specifi eke aandoeningen. “We ontwerpen de scanner juist zo dat hij breed toepasbaar is”, zegt hij. “Want we willen uiteindelijk de hele pathologie digitaliseren.”
“ De computer krijgt dingen zichtbaar die voor het menselijk oog onzichtbaar zijn.”
20
CYTTRON II Procesverslag
Als je in Google afbeeldingen “Jaguar” intikt, krijg je plaatjes van een zwarte panter, een gevlekte katachtige, een auto, een vliegtuig en een boot. Wie afbeeldingen gaat digitaliseren, loopt tegen dat probleem aan: hoe weet een computer wat er op zijn digitale bestanden te zien is? En meer nog: wat een gebruiker erop zoekt? Fons Verbeek van het Leiden Institute of Advanced Computer Science van de Univer-siteit Leiden zocht en vond een oplossing.
tekst: René Rector
‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’
Cyttron I
2006-2010
Het idee achter het project is dat
een medisch onderzoeker meer
verbanden kan leggen door beel-
den op verschillend inzoomniveau
en biochemische informatie aan
elkaar te koppelen. Sterker nog:
dat een database door slimme
algoritmes de onderzoeker wijst
op verbanden die hij zelf nog
niet gezien had. Maar dat idee is
sneller geschetst dan ingevuld:
een celorganel is totaal onzicht-
baar op een röntgenfoto, je
ziet hooguit contouren op een
lichtmicroscoop, en pas bij
een fluorescentie- en confocale
microscoop wordt het wat.
Een elektronenmicroscoop is dan
vaak alweer zo sterk vergrotend,
dat je naar een onderdeel van een
organel zit te kijken. En dat is
niet het enige probleem. “Zwart”
betekent in het ene geval iets
compleet anders dan in het
andere. “Paars” hangt af van
welke kleuring is gebruikt.
Sommige microscopen leveren
alleen zwart-witbeelden. We
proberen aanvankelijk om orde
te scheppen met technieken die
lijken op technieken die worden
gebruikt bij gezichtsherkenning
op foto’s. Dat loopt alleen com-
pleet vast. Tuurlijk: als iemand
met een doos vol glaasjes met
coupes van darmweefsel met
dezelfde kleuring aankomt, kan
een computer na het derde glaasje
echt wel slimme suggesties doen.
Het gaat mank als je met een
nieuwe doos glaasjes met een net
iets andere kleuring binnenkomt.
Het moet dus anders. Weg met
de pixels! Taal moet het zijn.
FO
TO
: C
OL
IN B
UR
NE
TT
FO
TO
: S
AC
SC
OT
T L
EW
IS/
MO
D
21
CYTTRON II
Cyttron II
2011-2012
Niet de beelden zelf, maar de tags
die aan de beelden zijn gehangen
zijn dus leidend om de samenhang
tussen die beelden te duiden. Stel,
je wilt in een weefsel de ribosomen
nader bestuderen, dan kun
je langs de term “ribosomen”
helemaal inzoomen tot je op
molecuulniveau naar de eiwit-
synthese zit te kijken. Of uit-
zoomen tot de celinhoud zo vaag
is dat het niet meer in onderdelen
te zien is.
We bestuderen gene-ontology,
een bestaande ontologie voor
genetica. Al snel komen we
erachter dat dat zeker bruikbaar
is, maar we stuiten meteen op
een netelig probleem: je moet
elk beeld apart annoteren. Voor
een paar beelden gaat dat nog
wel, maar als je tweehonderd
foto’s moet vertalen in een
omvangrijke ontologie, wordt
dat vervelend. Welke onderzoeker
is bereid dat te doen?
Ons project verschuift van een
technisch probleem naar een
menselijk probleem. Zoals
gewoonlijk wordt dat de grootste
uitdaging.
2013
We proberen een spelelement toe
te voegen. Letterlijk: we bouwen
het arcadespel Frogger in in de
gebruikersinterface, waarbij het
hoppen naar de overkant (wat
altijd de bedoeling was van
Frogger: spring met een kikker
een rivier over via boomstammen)
eenvoudiger wordt als termen
waarop je moet “springen”
geannoteerd zijn. Hiermee leren
we de gebruiker dat annotatie
nuttig en lonend is, en moedigen
onderzoekers aan goed te annote-
ren, door ze na afl oop te belonen
met een spelletje.
Uiteindelijk moet een computer
toch weten wat die vage opeen-
hoping paars linksboven in beeld
eigenlijk voorstelt, zodat hij een
onderzoeker kan wijzen op de
aanwezigheid van celwoekering.
We besluiten te gaan experimen-
teren met ontologische beschrij-
ving: een set beschrijvende ter-
men waarbij niet alleen gedefi ni-
eerd is wat die termen betekenen,
maar ook beschreven staat hoe
die betekenissen relaties hebben.
Ontologische beschrijvingen
bestaan al heel lang. Zo weten
we bijvoorbeeld dat “bladeren”
een vast onderdeel is van de ver-
zameling “loofbomen”, categorie
“onderdelen”. “Eik”, “iep” en
“es” zijn onderdelen van die-
zelfde verzameling, maar dan
in de categorie “soorten”. Onto-
logieën hebben clusters, verza-
melingen en een hiërarchische
structuur.
22
CYTTRON II ‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’
De imagingtechniek en de
onderzoeker – twee zaken die
je in een handomdraai helder
hebt – beperken wat er in beeld
kan zijn. En daarmee ook de tijd
die je nodig hebt voor annotatie.
Andersom werkt het ook: als
Janssen werkt aan stressrespons
in zijn hersencoupes, dan geeft
de database aanbevelingen
over beelden die óók gaan over
stressrespons. We ontdekken
daardoor bijvoorbeeld dat de
stressrespons bij een gist op
moleculair niveau nauwelijks
afwijkt van die van ons.
2014
Een doorbraak. Niet zozeer in
de techniek, maar in het denken
over adequate invoer. Stel,
onderzoeker Janssen logt in op
de database. We weten dan dat
Janssen onderzoek doet naar
cellen in de hersenstam, omdat
Janssen dat heeft aangegeven
in zijn onderzoekersprofiel.
We weten ook dat Janssen een
set beelden wil annoteren die
afkomstig zijn van een licht-
microscoop. Omdat hij dat eerder
heeft gedaan, of omdat hij dat aan
de database laat weten. Die twee
kenmerken – Janssen, lichtmi-
croscoop – zijn twee enorm
beperkende factoren voor de set
aan ontologische elementen die
Janssen überhaupt kàn annote-
ren. Hij ziet geen eiwitten, want
die zie je niet met een lichtmicro-
scoop. Hij ziet ook geen spiercel-
len, want we weten dat Janssen
hersenonderzoek doet.
20??
Het klinkt allemaal mooi: een
computer die verbanden legt
die wetenschappers zelf over het
hoofd zien. Maar de menselijke
kant is een nog niet helemaal
geslecht bastion. Wat we nog
niet overwonnen hebben, is
“vakjargon”. Als een structuur-
bioloog het over een “atlas”
heeft, bedoelt hij iets anders dan
wanneer een topograaf of een
orthopeed daarover praat. We
zoeken nu nog naar een manier
om te voorkomen dat onderzoe-
kers volgens hun eigen jargon
gaan annoteren zonder dat het
duidelijk wordt via welk jargon
dat is. Het succes van Cyttron II
wordt in dit opzicht bepaald door
de eenduidigheid waarmee het
annoteren gebeurt. Dus ook al
rondt Cyttron II nu af, de klus is
nog niet helemaal geklaard.
“ Wie gaat er nu tweehonderd foto’s een voor een annoteren?”
23
Contact: www.cyttron.org
Partners
Academisch Medisch Centrum Amsterdamwww.amc.nl
TU Delftwww.tudelft.nl
Erasmus Universitair Medisch Centrum Rotterdamwww.erasmusmc.nl
FEI Electron optics bv www.fei.com
Universiteit Leidenwww.leidenuniv.nl
Leids Universitair Medisch Centrumwww.lumc.nl
Maastricht Universitywww.maastrichtuniversity.nl
Naturalis Biodiversity Centerwww.naturalis.nl
Nikon Instruments Europe bvwww.nikoninstruments.eu
Pepscan Therapeutics bvwww.pepscan.com
Philips Electronics Nederland bvwww.philips.nl
Science and Technology Facilities Councilwww.stfc.ac.uk
Universiteit Utrechtwww.uu.nl
Virtual Proteins bv (tot december 2013)
Begrijpen hoe veranderingen op moleculair niveau van invloed zijn op de gezondheid van de mens is essentieel om nieuwe diagnostische hulpmiddelen en behandelingen te kunnen ontwikkelen. Dit begrip vergt een alles-omvattend beeld – van moleculen via cellen en organen, tot organismen. Huidige bioimagingtechnieken zijn echter beperkt tot één niveau. In Cyttron II werken veertien academische en industriële partners samen om dit probleem te verhelpen. Cyttron II ontwikkelt diagnostische instrumenten en bewerkstelligt de integratie van de gegevens van elkaar aanvullende bioimagingtechnologieën om het hele plaatje, op alle niveaus, te begrijpen en te overzien.
24
ColofonRedactie
Joost van der Gevel, Elles Lalieu, Rineke Voogt
Hoofd/eindredactie
Sciencestories.nl, René Rector
Vormgeving
Parkers, Rick Verhoog en Sara Kolster
Infographics
Parkers, Marjolein Fennis en Sara Kolster
Projectleiding
Giovanni Stijnen, NEMO Kennislink
Coördinatie
Giovanni Stijnen en Sanne Deurloo, NEMO Kennislink
Deze uitgave kwam tot stand dankzij het LSH-FES subsidieprogramma en in samenwerking met NEMO Kennislink en Christa Recourt (Cyttron II).