Bioimagingtechnologie voor een betere diagnostiek

Bioimagingtechnologie voor een betere diagnostiek CYTTRON II

Bioimagingtechnologie voor een betere diagnostiek CYTTRON II

diagnostiek

Amsterdam 2016

CY T TRON II

Inhoud Voorwoord

3

Google Earth tot in de cel: ‘Zo ziet het er bij jou ook uit’ Cyttron II in vogelvlucht

8

Maximaal inzoomen zonder risico

10

Microscoopglaasjes gaan digitaal

12

Een moleculaire kaart van het weefsel Cellen in 3D

17

18

‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’ Cyttron II partners Colofon

4

21

24

25

Voor meer informatie klik op de links en de ikonen

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

CY T TRON II

Voorwoord Jan-Pieter Abrahams HOOGLERAAR AAN DE UNIVERSITEITEN VAN BASEL EN LEIDEN EN PROGRAMMADIRECTEUR CYTTRON II

Veel ziekten worden veroorzaakt doordat er iets

te maken met een onbeperkte zoomlens, waarmee

misgaat in onze cellen. Er is te veel of te weinig van

we op een patiënt zouden kunnen inzoomen totdat

een bepaald soort moleculen, moleculen herkennen

we organen tot in atomair detail kunnen waarne-

elkaar niet meer, of cellen reageren verkeerd op

men. Wat wel kan, is om verschillende technieken

signalen van de omgeving. Dat soort fouten op

te combineren, en zo toch een alomvattend beeld

microscopisch en zelfs atomaire schaal kunnen grote

te maken van wat er misgaat. MRI voor de organen,

gevolgen hebben, van verkoudheid tot een dodelijke

een lichtmicroscoop voor de cellen, een elektronen-

ziekte, van reuma tot kanker. Stel dat het mogelijk

microscoop voor de moleculen en röntgendiffractie

zou zijn om in atomair detail naar de cellen van een

voor de atomen. Een samenwerking van bedrijven

patiënt te kijken, dan zouden we misschien kunnen

en universiteiten werkt in het Cyttron II-consortium

zien wat er misgaat. En wanneer we dat begrijpen,

aan manieren om dergelijke beelden efficiënt te

kunnen we hopelijk ook daadwerkelijk ingrijpen.

verzamelen, te onderzoeken en samen te voegen

Helaas is het niet mogelijk om een supermicroscoop

tot een alomvattend begrip.

Herman Verheij LSH-FES SECTOR COÖRDINATOR

Voor u ligt een fraai boek over de baanbrekende

publiek-private samenwerkingsverband te komen:

resultaten die zijn geboekt binnen het LSH-FES-

tegen elke euro subsidie van de overheid werd ook

project Cyttron II. LSH staat voor ‘Life Sciences

een euro door de partners geïnvesteerd. Na zes jaar

& Health’, oftewel de toepassing van de levens-

hard werken zijn de resultaten direct inzetbaar voor

wetenschappen voor onze gezondheid, en FES

patiënten, of kunnen ze worden gebruikt voor onder-

voor ‘Fonds Economische Structuurversterking’,

zoek dat heel dicht bij patiënten staat. Hiermee heeft

de zogenoemde aardgasbaten.

het consortium aangetoond dat het de onderzoeks-

Cyttron II begon zijn activiteiten in 2010, na goed-

gelden optimaal heeft ingezet om bij te dragen aan

keuring door de Nederlandse overheid van een over-

het verbeteren van de nationale gezondheid, en voor

koepelend voorstel. Dit voorstel werd ingediend door

het aanjagen van de economische bedrijvigheid in

een consortium van vele partners – waaronder kleine

Nederland.

en middelgrote bedrijven, multinationals, universi-

Veel van deze resultaten vindt u terug in dit boek.

taire en medische onderzoeksgroepen, patiënten-

U zult versteld staan van de ontwikkelingen in

organisaties, en de ministeries van VWS, OCW en

dit boeiende vakgebied. Ik wens u dan ook veel

EZ. De FES-subsidie werd ingezet om tot een

leesplezier!

3

CY T TRON II

Introductie tekst: Joost van der Gevel beeld: Naturalis

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.

“Raak me aan”, nodigt het scherm uit. Als je dat

wikkelaar van de tentoonstelling. “In die maximale

doet, blijven er van al die vissen één zebravisje en

vergroting ben je ingezoomd op een foto van acht-

een embryo over. Met je handen kun je steeds dieper

honderd bij vierhonderd meter, bijna twee keer zo

inzoomen op een doorsnede van het embryo. Het

groot als het Malieveld.”

vult al snel het hele scherm. In zwart-wit zie je de organen, de hersenen, spieren, het oog. Je ziet zelfs

Dertigduizend foto’s

een bacterie zo groot als een knikker in de darm. Ver-

De foto is gemaakt in het Leids Universitair Medisch

geleken met de bacterie is de darmcel kolossaal. Als

Centrum (LUMC). Op de afdeling Elektronenmicro-

je nog verder inzoomt, kijk je tot diep in die cellen.

scopie is het zebravisje in een beweegbare houder

Je kunt de mitochondriën – de energieleveranciers –

onder de elektronenmicroscoop gelegd. In een ge-

zien, de celkern met het dna, en als kleine bolletjes

automatiseerd proces zijn er in vierenhalve dag van

de ribosomen die de eiwitten in elkaar sleutelen.

kop tot staart dertigduizend foto’s gemaakt, terwijl precisiemotortjes de houder met het visje miniem

Twee keer het Malieveld

in twee richtingen verschoven voor iedere volgende

In een verlicht, rond venstertje naast het scherm zijn

opname. Software met een binnen het LUMC ont-

embryo’s van zebravisjes te zien: zwarte puntjes met

wikkeld “stitching”-algoritme, plakte op basis van

een glazen staartje eraan, nog geen anderhalve milli-

die onderlinge verschuivingen de beelden nauw-

meter lang. “Om zo diep in de cellen te kunnen kij-

keurig aan elkaar tot de digitale megafoto. Het grote

ken moet je zo’n embryo vijfhonderdduizend keer

“touchscreen” en de zoomsoftware zijn ontwikkeld

vergroten”, vertelt Ilse van Zeeland, inhoudsont-

in Naturalis.

4

CY T TRON II

Zoom in op een volwassen zebravis.

De samenwerking was een project van het Cyttron II-

onder de microscoop legt. De cellen zien er bijna

consortium. Dit consortium wil inzicht krijgen in de

hetzelfde uit. En door het fysiek te maken met

manier waarop moleculaire veranderingen doorwer-

zoomen – een principe dat ze kennen – willen we

ken in het lichaam en op de gezondheid, om nieuwe

begrip kweken hoe klein het allemaal is.”

diagnostiek en behandelingen te kunnen ontwikkelen. Data van verschillende beeldvormende technie-

Lichtgevoelige staafjes

ken worden daarvoor samengebracht tot één data-

Je kan op iedere willekeurige plek in het visje inzoo-

base met een driedimensionaal totaaloverzicht van

men. Een paar blauwe stippen – hotspots – geven

moleculair niveau, via de cel, tot het orgaan en het

aan dat er iets te zien is met uitleg erbij. Van Zeeland

hele organisme. De Cel Zoomer is illustratief voor dit

zoomt in op de lichtgevoelige staafjes in het oog.

streven naar het “totaalplaatje”.

“… in jouw ogen zitten ook zulke cellen”, zegt de vertelstem uit het scherm. De Cel Zoomer is volgens

Mens, muis of vis

Van Zeeland ook heel geschikt voor onderwijs. “In

Maar waarom stelt Naturalis de Cel Zoomer tentoon?

medische en biologieleerboeken is doorgaans alles

“Dit is de zaal ‘Onderzoek in uitvoering’. We wilden

per orgaan geordend. Hier kun je anatomisch naar

het publiek laten kennismaken met de microwereld”,

bijvoorbeeld het hersengebied toe en dan inzoomen.

verklaart Van Zeeland. “Hoe dieper je inzoomt, hoe

Eigenlijk zou iedere universiteit zoiets moeten

meer alle organismen op elkaar lijken. ‘Zo ziet het er

hebben voor het biologieonderwijs.” In het LUMC

bij jou ook uit’, willen we bezoekers meegeven. Het

wordt een variant op de Cel Zoomer ontwikkeld die

maakt niet uit of je een mens, muis, vis of ander dier

gebruikt zou kunnen worden in de practica.

5

CY T TRON II

b

Van groot naar klein a

e

f

i

j

a Zwemmende zebravisjes.

b Zebravisembryo.

e Hersencellen.

f

Kraakbeencel, het zwarte bolletje is de celkern.

i

j

Dit lijkt ook een cel, maar hier is een onderdeel van een cel zichtbaar: de celkern met DNA.

Spiercellen.

6

CY T TRON II

Google Earth tot in de cel: ‘Zo ziet het er bij jou ook uit’

c d

g

h

k

l

c Zebravisembryo.

d Lichtgevoelige cellen in het oog.

g Darmcellen, met vingerachtige uitstulpingen.

h Een bacterie in de darm.

k De kleine bolletjes zijn ribosomen.

l

Mitochondriën.

7

CY T TRON II

Infographic tekst: René Rector beeld: Parkers

Cyttron II in vogelvlucht De 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.

Kleiner kijken Röntgendiffractie 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 elektronenmicroscoop. 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.

3D Weefselcoupes bekijk je normaliter in het platte vlak. Een nieuwe scantechniek maakt het mogelijk ook op weefselniveau een 3D scan te maken.

8

CY T TRON 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.

Automatiseren Sommige taken van een patholoog 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 massaspectrometer en de beelden te combineren, krijgt een onderzoeker veel meer informatie over wat hij ziet: waar cellen bezig zijn met delen bijvoorbeeld.

9

CY T TRON II

Case study 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.

Structuurbiologen houden zich graag bezig met het

Met een elektronenmicroscoop kun je goed een

ontrafelen van de opbouw van eiwitten en andere

3D-beeld krijgen van een object, wat essentieel is

ingewikkelde vormen als ribosomen of virussen.

om de vouwing van een eiwit of de mantel van een

De functie van een stof heeft namelijk alles te maken

virus in kaart te brengen.

met zijn vorm. Eiwitten, de werkpaarden van een cel, zijn bijvoorbeeld kunstig gevouwen op een

Elektronenmicroscopen hebben het de afgelopen

manier die past bij hun functie. Om te begrijpen

decennia een stuk makkelijker gemaakt voor bio-

wat ze precies doen moet je goed weten hoe ze eruit-

logen om onze kleinste bouwstenen te onderzoeken.

zien. Dat geldt ook voor virussen of zelfs medicijnen.

De techniek gaat met sprongen vooruit: tien jaar geleden was het kleinste detail dat je ermee kon

Dik aluminiumfolie

bekijken nog tien keer zo groot als nu. Tot een paar

Met het blote oog zijn die stoffen niet te zien. Voor

tienden nanometer kun je met een elektronenmicro-

een lichtmicroscoop zijn ze ook te klein. Een manier

scoop zichtbaar maken; in één nanometer passen

om ze te kunnen bestuderen is met röntgenstraling,

ongeveer vijf atomen. Ter vergelijking: een bacterie

maar dan moet je eerst een kristalstructuur kunnen

meet zo’n tweeduizend nanometer en aluminium-

maken van het object dat je wilt bestuderen. Dat

folie is tienduizend nanometer dik.

lukt met lang niet elk materiaal. Een andere manier: de elektronenmicroscoop. Dat apparaat gebruikt

Dunne chips

elektronen om het voorwerp af te beelden. Een bun-

Er kleven echter twee nadelen aan het gebruik van

del versnelde elektronen wordt in een vacuüm buis

een elektronenmicroscoop voor biologische structu-

afgeschoten op het object. Elektronen die door het

ren. “Allereerst bewegen moleculen bij lichaams-

preparaat heen gaan worden sterk vergroot, zoals

of kamertemperatuur alle kanten op. Daarnaast

dia’s in een projector, en vervolgens geregistreerd en

worden objecten snel kapot geschoten door elektro-

vastgelegd in een beeld met behulp van een camera.

nen”, zegt Frank de Jong, directeur Partnerships van

10

CY T TRON II

Elektronenmicroscoop Titan met ingebouwde camera Falcon.

microscooptechnologiebedrijf FEI (Field Electron and Ion Company). Het eerste probleem kun je vrij eenvoudig oplossen met cryo-elektronenmicroscopie: 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

B E E L D : J U L I A N V O N D E R E C K E N / N AT U R E

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

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.

lastig af te stoppen en raken daardoor verstrooid.

Dan kan het gebeuren dat ze niet één, maar meer-

achter elkaar te zetten krijg je een beter beeld.”

dere pixels markeren. In de Falcon is dat opgelost

Bovendien kun je hiermee “de hele soep bekijken”,

door de chip heel dun te maken. De Jong legt uit:

zegt Van Heel. “De moleculaire machientjes in je

“Elektronen gaan erdoorheen, en laten een signaal

preparaat hebben verschillende functionele toestan-

achter dat ze er geweest zijn. Zo verspreiden ze zich

den. Een enzym kan bijvoorbeeld aan een substraat

minder”. Door bovendien de camera te koelen, zorg

zijn verbonden om een reactie te versnellen, of al

je voor nog minder ruis.

zijn teruggekeerd in zijn oorspronkelijke toestand.

Je wilt al die toestanden in 3D kunnen zien.”

Movie-modus Dat de camera een uitkomst is voor onderzoekers

Een directe toepassing van de techniek is ontwik-

kan Marin van Heel, hoogleraar Data-analyse voor

keling van medicijnen. Van Heel: “Denk maar aan

cryo-elektronenmicroscopie aan de Universiteit

een antibioticum. Je kunt heel precies zien hoe

Leiden, beamen. “Door de hoge gevoeligheid van

de stof iets bij een bacterie blokkeert. Zo kun je

de camera heb je vier keer minder elektronen nodig

gerichter medicijnen ontwikkelen.” Met behulp

om een goed beeld te krijgen. Een ander voordeel

van de Falcon kan ook een virus als HIV nog beter

is de ‘movie-modus’: je kunt tien plaatjes van je

in kaart worden gebracht, om beter te begrijpen

object maken in een seconde. Door die beelden

hoe het virus zich gedraagt.

11

CY T TRON II

Inter view tekst: Elles Lalieu

Het IntelliSite systeem van Philips bestaat uit een glaasjesscanner (links), een beeldbeheersysteem en software.

12

CY T TRON II

Microscoopglaasjes gaan 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

CY T TRON II

Pathologie speelt een cruciale rol in het bepalen van

Dat kan nu voor een redelijke prijs. Soms is het zelfs

het ziektebeeld, met name bij diagnose van kanker.

al goedkoper dan het opslaan van microscoopglaas-

Verdachte weefselmonsters worden met een micro-

jes in een archief, zoals dat nu gebeurt”, vertelt

scoop onderzocht om te bepalen of het tumorweefsel

Verhagen.

patholoog advies uit over de behandeling van de

“Bladeren” door weefsel

patiënt.

Imagingspecialist Jelte Vink van Philips was verantwoordelijk voor de ontwikkelingen aan het digitale

“De microscoop blijft natuurlijk een fantastisch

pathologiesysteem. “Het apparaat was er al. Wat

apparaat, maar er zitten nadelen aan de logistiek van

we de afgelopen vier jaar met name gedaan hebben,

preparaten op glas”, vertelt Dirk Verhagen, onder-

zijn updates van de software waardoor het mogelijk

zoeker en ontwikkelaar bij Philips. “Je kunt beelden

wordt om beelden naast elkaar te leggen of op

kwijt raken, bijvoorbeeld doordat glaasjes breken of

dezelfde plek in een preparaat naar verschillende

doordat je het preparaat doorstuurt naar een specia-

kleuringen te kijken”, legt hij uit. Verhagen kan

list voor een consult.” Om de opslag en het delen

dit direct demonstreren met beelden die eerder

van pathologische beelden makkelijker te maken,

op de computer zijn opgeslagen. Stel; de arts heeft

ontwikkelde Philips als onderdeel van het Cyttron

een stukje weefsel weggenomen bij een patiënt en

II-onderzoeksprogramma de IntelliSite digitale

wil graag weten of het een tumor is en hoe die tumor

pathologie-oplossing. Het systeem bestaat uit een

dan groeit. De patholoog maakt hele dunne plakjes

glaasjesscanner, een beeldbeheersysteem en soft-

van het weggenomen weefsel en prepareert die alle-

ware waarmee de patholoog de beelden kan delen

maal op een eigen glaasje. Door de glaasjes één voor

en beoordelen.

één te bekijken, valt iets te zeggen over de locatie van de tumor. Bijvoorbeeld of hij oppervlakkig zit

Behoorlijke datavolumes

of juist diep in het weefsel.

In het bezoekerscentrum in Best demonstreert Verhagen hoe het systeem werkt. Hij plaatst een

“Na het scannen van de glaasjes kun je beelden naast

microscoopglaasje in de scanner, doet de deur dicht

elkaar leggen en ook aan elkaar linken”, legt Verha-

en drukt op “start”. Ongeveer een minuut later is

gen uit. “Virtueel kun je de verschillende plakjes dus

de scan klaar. De eerste scanners deden een halfuur

weer op elkaar leggen en zo als het ware door het

over zo’n glaasje. Deze scanner kan driehonderd

weefsel heen ‘bladeren’. Dan kun je met veel grotere

glaasjes in vijf tot acht uur verwerken. “Dat maakt

precisie zeggen hoe een tumor bijvoorbeeld in de

dat scannen aantrekkelijk is geworden voor patho-

diepte groeit.”

logisch onderzoek”, vindt Verhagen.

Gevoelige tumorcellen Niet alleen de duur van het scannen is flink naar

Bij het prepareren van microscoopglaasjes krijgt

beneden gebracht, ook de opslag van de beelden die

ieder plakje weefsel zijn eigen kleuring. En met

eruit rollen is nu betaalbaar. “Afhankelijk van wat je

iedere kleuring kun je verschillende dingen aanto-

precies scant, komen er databestanden uit variërend

nen. Met de computer kun je nu heel precies twee

van 0,5 tot 4 of 5 gigabyte (GB). Dat zijn behoorlijke

verschillende kleuringen van hetzelfde gebied naast

datavolumes, die je allemaal ergens moet opslaan.

elkaar leggen. Verhagen laat het zien. Op het eerste

14

FOTO: PHILIPS INTELLISITE PATHOLOGIST SUITE

kwaadaardig is. Aan de hand daarvan brengt de

CY T TRON II

Microscoopglaasjes gaan digitaal

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.

glaasje zijn de celranden aangekleurd met roze en

Herceptin) kan consequenties hebben voor het

de celkernen met blauw-paars. “Met zo’n kleuring

functioneren van het hart. Dus dat wil je niet zomaar

kun je zien of je te maken hebt met kanker”, vertelt

geven aan een patiënt die het niet nodig heeft.”

hij. “Het weefsel ligt dan niet mooi geordend, maar toont een wildgroei van cellen. Gebieden die hele-

Centraal scannen

maal blauw-paars lijken te kleuren, markeren het

Het naast elkaar leggen en linken van beelden is

tumorweefsel.”

iets dat met losse microscoopglaasjes niet mogelijk is. Daarnaast heeft het digitale pathologiesysteem

Op het tweede glaasje is een bruine kleuring

nog een belangrijk pluspunt: het delen van beelden

gebruikt, die aangeeft of een patiënt ontvankelijk is

is heel makkelijk. “Er zijn wel microscopen waar je

voor hormoonbehandeling. Wat je aan dit voorbeeld

met twee tot tien personen tegelijkertijd naar het-

ziet, is dat de gebieden die op het eerste glaasje

zelfde preparaat kunt kijken, maar dan moet je nog

blauw-paars kleurden op het tweede glaasje bruin

steeds met z’n allen om tafel zitten”, zegt Verhagen.

kleuren. Dat betekent dat deze patiënt tumorcellen

Binnen het LSH-FES-onderzoeksproject tEPIS is

heeft die ontvankelijk zijn voor hormoonbehande-

gewerkt aan een oplossing om opgeslagen beelden

ling. Verhagen: “Dat is belangrijk om te weten, want

overal beschikbaar te maken. Het enige dat je nodig

dergelijke chemotherapie (bijvoorbeeld het medicijn

hebt, is een internetbrowser. Twijfel je over een

15

CY T TRON II

Microscoopglaasjes gaan digitaal

Philips heeft op dit moment al veel digitale pathologiesystemen verkocht. Ze staan onder andere in Nederland, België, Duitsland, Engeland, Oostenrijk, 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 sorteren Met het digitale pathologie systeem kan nu al meer dan met een microscoop, maar het apparaat moet 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.

in de toekomst nog veel slimmer worden. Onderzoekers 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

preparaat, dan kun je direct een patholoog aan de

een bepaald type tumor anders groeit. De patholoog

andere kant van het land inschakelen. Dat is redelijk

heeft daar waarschijnlijk nooit zo naar gekeken

revolutionair.

omdat hij geen voorbeelden van hetzelfde tumortype uit het archief kan halen om ze naast elkaar te

Het delen van beelden maakt mogelijk dat prepare-

onderzoeken.”

ren van microscoopglaasjes wordt gecentraliseerd.

Als alle beelden overal beschikbaar zijn, heeft

Ook kan de computer het werk van de patholoog

immers niet iedereen zijn eigen glaasjes meer nodig.

makkelijker maken. Bijvoorbeeld bij het zoeken naar

Volgens Verhagen is die centralisatie kosteneffectief;

uitzaaiingen. Verhagen: “De patholoog verwijdert

het kan tonnen of miljoenen schelen. “Het laborato-

een stukje van een lymfeklier en maakt daar tien

rium scant alles in en per casus kan een patholoog

tot vijftig glaasjes van. Die kun je allemaal bekijken,

worden toegewezen. Binnen de pathologie heb je

maar één ‘hit’ is in principe voldoende om aan te

15 tot 25 specialismen, maar die heb je als ziekenhuis

tonen dat er uitzaaiingen zijn. Wat de computer

nooit allemaal in huis. Als de beelden gelijk naar de

kan doen, is een voorselectie maken van de beelden

juiste specialist gestuurd worden, krijg je scherpere

zodat de patholoog de meest ‘verdachte’ beelden het

diagnoses. Bij de veterinaire pathologie zie je dit al

eerst te zien krijgt.”

gebeuren”, vertelt hij.

16

CY T TRON II

Case study tekst: Elles Lalieu beeld: Imabiotech

Een moleculaire kaart van het weefsel Met een massaspectrometer kun je moleculen identificeren. 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.

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

Deze techniek heet imaging massaspectrometrie.

beschikbaar voor een groot aantal patiënten”,

Imaging massaspectrometrie komt van pas bij alle

vertelt McDonnell.

aandoeningen waarbij moleculaire veranderingen een rol spelen. Je kunt bijvoorbeeld kijken naar de

En dat is belangrijk, want moleculaire veranderin-

locatie van neurotransmitters in de hersenen van

gen kunnen behulpzaam zijn bij het stellen van een

muizen of naar de verdeling van bepaalde moleculen

diagnose of het vaststellen van een prognose voor

die als medicijn kunnen dienen. Er zijn ook meer

patiënten. Door individueel naar de samenstelling

diagnostische mogelijkheden, bijvoorbeeld bij

van moleculen in het weefsel te kijken, kan een

kanker. Een delende kankercel ziet er op het oog

behandeling beter op de patiënt worden afgesteld.

hetzelfde uit als een kankercel die bijna doodgaat,

Daardoor wordt deze gecombineerde scantechniek

maar de chemische inhoud van die twee cellen is

een stuk eenvoudiger praktisch toe te passen.

heel anders.

“Ons systeem analyseert de chemische inhoud van

Doorsnede van het menslijk lichaam, gemaakt met behulp van imaging massaspectrometrie.

weefsel met een massaspectrometer en koppelt die analyse 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.”

17

CY T TRON II

Beeldreportage tekst: Elles Lalieu

Cellen in 3D Binnen de pathologie wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van scanners. Meestal zijn dat scanners die een 2D-beeld van het weefsel 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 aantal 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 opgelost 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.

18

CY T TRON II

19

CY T TRON II

Cellen in 3D

Naast dikke stukken weefsel kan de 3D-scanner ook een belangrijke rol spelen bij bijzondere metingen. Hulsken noemt fluorescentie als voorbeeld. Het is mogelijk om fluorescerende 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.

“De computer krijgt dingen zichtbaar die voor het menselijk oog onzichtbaar zijn.”

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 onzichtbaar 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 kinderziektes uit het systeem te halen. Hopelijk kan het apparaat dan in 2017 echt richting pathologie-afdelingen en onderzoeklabs.

Hulsken richt zich daarbij niet op specifieke aandoeningen.

“We ontwerpen de scanner juist zo dat hij breed toepasbaar is”, zegt hij. “Want we willen uiteindelijk de hele pathologie digitaliseren.”

20

CY T TRON II

Procesverslag tekst: René Rector

‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’ 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 Universiteit Leiden zocht en vond een oplossing.

Cyttron I 2006-2010

Het idee achter het project is dat een medisch onderzoeker meer verbanden kan leggen door beelden op verschillend inzoomniveau 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-

FOTO: COLIN BURNETT

FOTO: SAC SCOTT LEWIS/MOD

en biochemische informatie aan

baar op een röntgenfoto, je

andere. “Paars” hangt af van

pleet vast. Tuurlijk: als iemand

ziet hooguit contouren op een

welke kleuring is gebruikt.

met een doos vol glaasjes met

lichtmicroscoop, en pas bij

Sommige microscopen leveren

coupes van darmweefsel met

een fluorescentie- en confocale

alleen zwart-witbeelden. We

dezelfde kleuring aankomt, kan

microscoop wordt het wat.

proberen aanvankelijk om orde

een computer na het derde glaasje

Een elektronenmicroscoop is dan

te scheppen met technieken die

echt wel slimme suggesties doen.

vaak alweer zo sterk vergrotend,

lijken op technieken die worden

Het gaat mank als je met een

dat je naar een onderdeel van een

gebruikt bij gezichtsherkenning

nieuwe doos glaasjes met een net

organel zit te kijken. En dat is

op foto’s. Dat loopt alleen com-

iets andere kleuring binnenkomt.

niet het enige probleem. “Zwart”

Het moet dus anders. Weg met

betekent in het ene geval iets

de pixels! Taal moet het zijn.

compleet anders dan in het

21

CY T TRON 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 eiwitsynthese zit te kijken. Of uitzoomen tot de celinhoud zo vaag is dat het niet meer in onderdelen te zien is.

Uiteindelijk moet een computer

We bestuderen gene-ontology,

toch weten wat die vage opeen-

een bestaande ontologie voor

hoping paars linksboven in beeld

genetica. Al snel komen we

eigenlijk voorstelt, zodat hij een

erachter dat dat zeker bruikbaar

onderzoeker kan wijzen op de

is, maar we stuiten meteen op

2013

aanwezigheid van celwoekering.

een netelig probleem: je moet

We proberen een spelelement toe

We besluiten te gaan experimen-

elk beeld apart annoteren. Voor

te voegen. Letterlijk: we bouwen

teren met ontologische beschrij-

een paar beelden gaat dat nog

het arcadespel Frogger in in de

ving: een set beschrijvende ter-

wel, maar als je tweehonderd

gebruikersinterface, waarbij het

men waarbij niet alleen gedefini-

foto’s moet vertalen in een

hoppen naar de overkant (wat

eerd is wat die termen betekenen,

omvangrijke ontologie, wordt

altijd de bedoeling was van

maar ook beschreven staat hoe

dat vervelend. Welke onderzoeker

Frogger: spring met een kikker

die betekenissen relaties hebben.

is bereid dat te doen?

een rivier over via boomstammen)

Ontologische beschrijvingen

Ons project verschuift van een

eenvoudiger wordt als termen

bestaan al heel lang. Zo weten

technisch probleem naar een

waarop je moet “springen”

we bijvoorbeeld dat “bladeren”

menselijk probleem. Zoals

geannoteerd zijn. Hiermee leren

een vast onderdeel is van de ver-

gewoonlijk wordt dat de grootste

we de gebruiker dat annotatie

zameling “loofbomen”, categorie

uitdaging.

nuttig en lonend is, en moedigen

“onderdelen”. “Eik”, “iep” en

onderzoekers aan goed te annote-

“es” zijn onderdelen van die-

ren, door ze na afloop te belonen

zelfde verzameling, maar dan

met een spelletje.

in de categorie “soorten”. Ontologieën hebben clusters, verzamelingen en een hiërarchische structuur.

22

CY T TRON II

‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’

“Wie gaat er nu tweehonderd foto’s een voor een annoteren?”

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

2014

Een doorbraak. Niet zozeer in

De imagingtechniek en de

geslecht bastion. Wat we nog

de techniek, maar in het denken

onderzoeker – twee zaken die

niet overwonnen hebben, is

over adequate invoer. Stel,

je in een handomdraai helder

“vakjargon”. Als een structuur-

onderzoeker Janssen logt in op

hebt – beperken wat er in beeld

bioloog het over een “atlas”

de database. We weten dan dat

kan zijn. En daarmee ook de tijd

heeft, bedoelt hij iets anders dan

Janssen onderzoek doet naar

die je nodig hebt voor annotatie.

wanneer een topograaf of een

cellen in de hersenstam, omdat

Andersom werkt het ook: als

orthopeed daarover praat. We

Janssen dat heeft aangegeven

Janssen werkt aan stressrespons

zoeken nu nog naar een manier

in zijn onderzoekersprofiel.

in zijn hersencoupes, dan geeft

om te voorkomen dat onderzoe-

We weten ook dat Janssen een

de database aanbevelingen

kers volgens hun eigen jargon

set beelden wil annoteren die

over beelden die óók gaan over

gaan annoteren zonder dat het

afkomstig zijn van een licht-

stressrespons. We ontdekken

duidelijk wordt via welk jargon

microscoop. Omdat hij dat eerder

daardoor bijvoorbeeld dat de

dat is. Het succes van Cyttron II

heeft gedaan, of omdat hij dat aan

stressrespons bij een gist op

wordt in dit opzicht bepaald door

de database laat weten. Die twee

moleculair niveau nauwelijks

de eenduidigheid waarmee het

kenmerken – Janssen, lichtmi-

afwijkt van die van ons.

annoteren gebeurt. Dus ook al

croscoop – zijn twee enorm

rondt Cyttron II nu af, de klus is

beperkende factoren voor de set

nog niet helemaal geklaard.

aan ontologische elementen die Janssen überhaupt kàn annoteren. Hij ziet geen eiwitten, want die zie je niet met een lichtmicroscoop. Hij ziet ook geen spiercellen, want we weten dat Janssen hersenonderzoek doet.

23

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 allesomvattend 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.

Partners

Academisch Medisch Centrum Amsterdam www.amc.nl

Leids Universitair Medisch Centrum www.lumc.nl

Philips Electronics Nederland bv www.philips.nl

TU Delft www.tudelft.nl

Maastricht University www.maastrichtuniversity.nl

Science and Technology Facilities Council www.stfc.ac.uk

Erasmus Universitair Medisch Centrum Rotterdam www.erasmusmc.nl

Naturalis Biodiversity Center www.naturalis.nl

Universiteit Utrecht www.uu.nl

FEI Electron optics bv www.fei.com

Nikon Instruments Europe bv www.nikoninstruments.eu

Virtual Proteins bv (tot december 2013)

Universiteit Leiden www.leidenuniv.nl

Pepscan Therapeutics bv www.pepscan.com

Contact: www.cyttron.org

24

Colofon Redactie

Joost van der Gevel, Elles Lalieu, Rineke Voogt Hoofd/eindredactie

Sciencestories.nl, RenĂŠ Rector Vormgeving

Parkers, Rick Verhoog en Sara Kolster Infographics

Parkers, Marjolein Fennis en Sara Kolster Projectleiding

Giovanni Stijnen, NEMO Kennislink CoĂśrdinatie

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).