De sporters onder ons weten het maar al te goed: wanneer je je lichaam blootstelt aan mechanische krachten worden je spieren groter en botten sterker. Bewegingswetenschappers beschrijven de invloed van deze krachten op lichaamsniveau, maar er gebeurt ook heel wat op celniveau. En dat is waar PhD-kandidaat Roel Kooi naar kijkt. Vier jaar geleden verruilde hij Wageningen voor een uitdagend TU/e-promotietraject bij de vakgroep Microsystems. Daar probeerde hij met magnetische trilhaartjes botcellen aan te sturen. “Mechanische krachten zorgen ervoor dat cellen allerlei signalen gaan sturen, en hun gedrag verandert. Daardoor kunnen uiteindelijk die spieren en botten gaan groeien.”

Mechanische belasting is niet alleen belangrijk voor groeiende cellen, maar om elke cel goed te laten functioneren, benadrukt Kooi. “Je ziet dat heel duidelijk in het lichaam van bedlegerige patiënten, waar op celniveau veel verandert omdat ze nauwelijks bewegen. Of bij astronauten die langdurig in de ruimte verblijven en de zwaartekracht missen die op hun cellen werkt. Zo pompt het hart dan minder krachtig, en teren ook andere spieren langzaam weg. Een negatieve spiraal.”

Zieke niercellen vervangen

De laatste jaren wordt er steeds meer bekend over hoe en welke krachten invloed uitoefenen op cellen in het lichaam. Maar het nabouwen, dat is andere koek. Wel belangrijk, legt Kooi uit. “Natuurlijk wil je cellen op een zo realistisch mogelijke manier laten groeien wanneer je deze in je onderzoek gebruikt. Mechanische belasting zorgt er voor dat cellen andere eiwitten gaan aanmaken en zich daardoor anders gaan gedragen. En daarmee zenden ze ook weer andere signaalstoffen uit naar hun omgeving.”

Daarnaast willen Kooi en zijn collega’s onderzoeken hoe ze het celgedrag zelf kunnen beïnvloeden. “Bijvoorbeeld wanneer je een weefsel wil stimuleren om zichzelf te herstellen. Of als je de differentiatie van stamcellen naar specifieke lichaamscellen, zoals bot-, hartspier- of niercellen, wil sturen. Voor dergelijke biomedische toepassingen zoeken we een methode om cellen zo exact mogelijk te kunnen controleren.”

In de vakgroep van hoogleraar Jaap den Toonder worden veel experimenten gedaan met magnetische ‘cilia’. Met deze kunstmatige trilharen ontwikkelde Den Toonder een nieuwe technologie om krachten en stromingen in een mini-lab, zoals een Orgaan-op-een-Chip, te kunnen beheersen. Nog niet eerder was het mogelijk om cellen te laten groeien op een ondergrond van magnetische trilharen en deze mechanisch te stimuleren. En dat bleek een flinke uitdaging, blikt Kooi lachend terug.

Trilhaarbos

“De trilhaartjes bestaan uit een flexibel, magnetisch polymeer. We kunnen pilaartjes maken met een lengte van 6 micrometer en een diameter van 400 nanometer, maar de meestgebruikte hebben een lengte van 23 micrometer en een diameter van 2 micrometer. Dat is zo’n 30 keer dunner dan een mensenhaar. Zo zijn ze in de goede verhouding met onze kweekcellen. De pilaartjes moeten ook niet te groot zijn, wij willen graag dat de cellen echt tussen de trilharen groeien, in plaats van er bovenop. En de dichtheid moet goed zijn, zodat het geen onoverzichtelijk trilhaarbos wordt.”

Dit platform vormde, samen met een elektromagneet, de basis voor een nieuwe opstelling die Kooi ontwikkelde. “In dit labsysteem – NanoMAC (Nano Magnetic Artificial Cilia) – kunnen we de trilharen nu uiterst precies controleren. Hoe snel ze bewegen, met hoeveel kracht, hoe lang.”

De cellen bleken goed te groeien op de polymeerondergrond, een opsteker. Maar tot zijn frustratie zag Kooi dat de trilharen in de opstelling met de cellen erbij niet meer in beweging te krijgen waren. “Dat heeft aardig wat tijd en hoofdbrekens gekost. Uiteindelijk kwamen we erachter dat het aan de vloeistofomgeving lag. De cilia konden we heel precies laten bewegen in ethanol, maar cellen hebben een waterig milieu nodig. Dat bleek een dooddoener voor de beweeglijkheid van de trilharen te zijn.”