Tijdens haar masteronderzoek ontdekte Marrit Tholen haar passie voor microscopie, toen ze onder begeleiding van hoogleraar bio-organische chemie Jan van Hest probeerde te tellen hoeveel antilichamen zich op een nanodeeltje bevinden. Hierbij proefde ze aan het onderzoek van Lorenzo Albertazzi. 

Albertazzi's groep werkt met een microscopietechniek die biologische en synthetische materialen op enkelmolecuulniveau kan bestuderen, waaronder nanodeeltjes. Tholen was onder de indruk van de prachtige beelden en voelde zich thuis bij de groep. 

Na haar studie nam ze het initiatief om Albertazzi te vragen of er misschien een geschikte PhD-positie voor haar was. Haar assertiviteit werd beloond: ze kreeg een uitnodiging om te solliciteren en startte – precies aan het begin van de coronapandemie – haar promotieonderzoek.

Op het juiste adres bezorgen

Ook Tholens promotieonderzoek richt zich op nanodeeltjes, kleine pakketjes die medicijnen of genetische instructies naar specifieke cellen kunnen brengen. Bij de covidvaccins wordt een soortgelijk principe gebruikt: het mRNA wordt verpakt in vetbolletjes, die het naar de juiste plek in het lichaam brengen, zodat cellen tijdelijk het spike-eiwit maken, waardoor het immuunsysteem dit leert herkennen als iets wat niet in het lichaam hoort.“Eigenlijk een heel klein ‘DHL-pakketje’ dat door je lichaam heen reist”, legt Tholen uit. 

Ze probeerde te begrijpen hoe deze pakketjes eruitzien aan de buitenkant en onderzocht hoe ze zó te ontwerpen dat ze hun inhoud precies bij de juiste cellen afleveren. “Je kunt er antilichamen op zetten, zodat specifieke cellen ze herkennen. Het is eigenlijk een soort barcode die de juiste cel kan aflezen, waarna het pakketje alleen daar naar binnen gaat”, zegt ze.

Zo kunnen vaccins of medicijnen veel gerichter worden afgeleverd, efficiënter en met minder bijwerkingen. Dat is vooral belangrijk bij chemotherapie, waarbij het middel anders het hele lichaam aanvalt en bijwerkingen zoals haaruitval of misselijkheid veroorzaakt.

Een schattige zwarte doos

“Het eerste doel van mijn onderzoek was om met superresolutiemicroscopie te bekijken wat er precies aan de buitenkant van de nanodeeltjes gebeurt”, vertelt Tholen. “Onder een gewone microscoop zie je slechts een vage vlek. Met superresolutiemicroscopie kun je heel gedetailleerd zien hoeveel antilichamen op de nanodeeltjes zitten en hoe ze precies gepositioneerd zijn.”

Werken met deze speciale supermicroscoop was voor haar een totaal nieuwe ervaring. “Het lijkt totaal niet op een gewone microscoop”, zegt ze, terwijl ze het apparaat in het lab laat zien. “Het is eerder een schattige zwarte doos.” In plaats van rechtstreeks in de microscoop te kijken, volg je alles live op een computerscherm. Lange uren bracht Tholen zo door, terwijl ze de nanodeeltjes tot in detail bestudeerde.

Een antilichaam bestaat uit een stammetje en twee ‘armen’, samen in de vorm van een Griekse Y. De armen binden aan doelcellen, terwijl het stammetje het immuunsysteem activeert. Staat het antilichaam op het nanodeeltje met het stammetje naar buiten, dan wordt het sneller opgeruimd; staan de armen naar buiten, dan bindt het vooral aan de doelcellen.

Tholen vergelijkt het met een deurbel: aan de buitenkant van cellen zitten receptoren die een antilichaam kan induwen om het te openen. Drukt een antilichaam op de juiste manier, dan gaat de deur open en kan het nanodeeltje naar binnen. Staat de oriëntatie verkeerd, dan gebeurt er niets. Zo onderzocht ze welke ontwerpregels nodig zijn om nanodeeltjes optimaal met cellen te laten communiceren.

Het paradepaardje

Na het bestuderen van de nanodeeltjes richtte Tholen zich op de cellen zelf, vooral kankercellen. De receptoren op de cel zijn namelijk niet statisch, maar continu in beweging. En de hypothese is dat deze beweging iets zegt over de onderliggende biologische processen en van invloed is op de reactie van de patiënt op therapie. 

Samen met het Catharina Ziekenhuis zette ze een studie op bij patiënten met leukemie. Leukemiecellen bewegen door het bloed, waardoor ze gemakkelijk onder de microscoop te bekijken zijn. Na een beenmergpunctie worden deze cellen normaal weggegooid. “Maar je kunt dat ‘afval’ prima voor onderzoek gebruiken”, bedacht Tholen.

Dit werd het paradepaardje van haar thesis. “Het was wereldwijd de eerste keer dat we met superresolutiemicroscopie receptorbeweging op levende patiëntencellen hebben bestudeerd”, zegt ze. 

Technisch gezien was het al lang mogelijk, maar het vergt ontzettend veel werk: je moet enorme aantallen bewegende cellen bestuderen, gigantische hoeveelheden data verzamelen en deze vervolgens analyseren. “Het kost uren en uren meten met de microscoop, en daarna heel veel statistische analyses om er iets zinnigs over te kunnen zeggen”, legt ze uit.

Monnikenwerk

Dat monnikenwerk had Tholen ervoor over: ze ging er helemaal voor en bracht tijdens vele uren in het lab het celmateriaal van tien patiënten in kaart. Zo ontdekte ze dat iedere patiënt een unieke ‘vingerafdruk’ van receptorbewegingen heeft. 

“Het is iets voor vervolgonderzoek om te bekijken wat dit precies betekent, maar we kunnen nu in ieder geval bij patiëntencellen de receptoren aan de buitenkant van kankercellen bestuderen. Dat is een grote stap”, zegt ze. Uiteindelijk kan dit artsen helpen bij diagnostiek en het bepalen van de juiste behandeling.

Verschillende boeketten

Haar belangrijkste boodschap aan wetenschappers: cellijnen – genetisch identieke cellen gekweekt in het lab – lijken totaal niet op echte patiëntencellen. “Wat je in het lab meet, is misschien helemaal niet relevant voor de patiënt.” Ze gebruikt een metafoor: patiënten als boeketten met verschillende bloemen. 

“Cellijnen bevatten bijvoorbeeld alleen zonnebloemen, maar de boeketten van patiënten bevatten allerlei soorten bloemen. Meet je tien keer de cellijnen, dan krijg je steeds hetzelfde resultaat. Meet je tien keer de cellen van patiënten, dan krijg je telkens andere boeketten, met andere bloemen, kleuren en geuren.”

Met haar onderzoek pleit Tholen ervoor om vooral echt patiëntenmateriaal te bestuderen en betere modellen te ontwikkelen. “Misschien geldt dat niet voor iedere ziekte, maar bij leukemie wel. Daar zijn verschillende soorten cellen bij betrokken, terwijl een celkweek steeds maar één type cel bevat. Ik vind het fantastisch dat we dat hebben kunnen aantonen, en daar ben ik trots op.”