Eerste quantum biosensor ‘ziet’ razendsnelle veranderingen in cellen
Als eerste ter wereld heeft het laboratorium van Leids onderzoeker Alireza Mashaghi een quantum biosensor-installatie van QT-Sense in gebruik genomen. Hiermee kunnen supersnelle en haast onzichtbare veranderingen in cellen worden waargenomen. Dat levert essentiële informatie op voor behandelingen van ziekten.
Bij de ontwikkeling van diverse ziektes en infecties in ons lichaam, zoals spierdystrofie, kanker, ebola en dengue, vinden er allerlei chemische reacties plaats in en tussen cellen waardoor de ziekten zich ontwikkelen. In minder dan een oogwenk - binnen microseconden of sneller - kan zo’n verandering plaatsvinden. Daardoor zijn dit soort veranderingen moeilijk te onderzoeken. Dankzij een nieuwe techniek, quantum sensing, kunnen deze veranderingen worden waargenomen. Zo kunnen onderzoekers te weten komen wanneer, waar en hoe snelle biologische processen plaatsvinden.
Effect van medicijnen
‘Het is ontzettend belangrijk om te weten hoe bepaalde ziekten zich ontwikkelen en waar chemische reacties precies plaatsvinden, in verband met het effect van medicijnen binnen een biologisch systeem’, legt hoofdonderzoeker Alireza Mashaghi uit. ‘Veel geneesmiddelen zijn gericht op eiwitten die reacties binnenin cellen reguleren. Deze eiwitten bevinden zich op allerlei plekken in, en bovendien in diverse toestanden. Daardoor kunnen ze, afhankelijk van hun locatie en toestand in een cel, diverse chemische reacties veroorzaken. Zonder te weten wanneer en waar die reacties precies plaatsvinden, kunnen behandelingen minder effectief zijn of leiden tot ongewenste bijwerkingen.’
Mashagi onderzoekt al zijn leven lang biologische veranderingen in het lichaam, vanuit verschillende wetenschappelijke disciplines zoals biologie, scheikunde en wiskunde. ‘Het laboratorium van Alireza Mashagi heeft internationaal erkende expertise in interdisciplinair onderzoek op gebied van geneeskunde en farmacie. Het lab is daarmee heel geschikt om het potentieel van quantum biosensing te laten zien’, zegt Deepak Veeregowda, CEO van QT Sense. Dit Nederlandse bedrijf maakte de ingebruikname van de quantum biosensing-installatie mogelijk.
Markeren niet nodig
Vanuit zijn kantoor kijkt Mashaghi dan ook sinds kort uit op de Leidse quantum biosensor-installatie: de eerste in zijn soort, wereldwijd. De installatie kan extreem snelle en kleine veranderingen waarnemen, zonder dat de onderzochte cellen worden bewerkt door een ingreep van buitenaf (door bijvoorbeeld bepaalde cellen met kleurstoffen te markeren). Dat zo’n externe bewerking niet nodig is, levert een groot voordeel op.
Mashaghi: ‘De omgevingen die worden onderzocht zijn zeer gevoelig. De kleinste verstoring kan al voor een verandering zorgen. Veranderingen door externe factoren moet je voorkomen, want het is juist de bedoeling om te zien hoe ziekten zich autonoom ontwikkelen.’
Diamanten en magneten
De installatie in het laboratorium van Tabari is simpel gezegd een grote microscoop. Onder die microscoop worden experimentele celmodellen gelegd: chips met cellen of onderdelen van cellen, die een bepaalde ziekte simuleren. De microscoop ‘kijkt’ naar deze celmonsters door een extreem kleine diamant te observeren – minder dan 100 nanometer breed. Deze diamant reageert op veranderingen in zijn omgeving.
Via een proces waarbij quantumtechnologie en magnetisme komt kijken, detecteren deze diamanten onvoorstelbaar kleine veranderingen in cellen. Die veranderingen kunnen worden waargenomen omdat de diamanten tijdens metingen een ander licht gaan uitstralen: als er veranderingen plaatsvinden in de naaste omgeving van de diamanten, verandert hun lichtintensiteit van de diamanten. Tot slot biedt de installatie nóg een enorm voordeel: elke verandering wordt vastgelegd op hoge resolutie-beelden. Zo kunnen onderzoekers de locatie van veranderingen waarnemen op het moment dat ze plaatsvinden.
Nagebootste organen
Op dit moment worden er alleen nog kunstmatige modellen van ziekten onder de installatie bekeken, maar Mashaghi voorziet dat in de toekomst ook nagebootste organen op een chip of monsters uit het menselijk lichaam kunnen worden onderzocht.
De quantum biosensor gaat bovendien veel betekenen voor nieuwe en bestaande samenwerkingen, zegt Mashaghi. ‘Zo zijn we ook geïnteresseerd in het bestuderen van spierdystrofie, een groep erfelijke ziekten waarbij de spieren langzaam afbreken en steeds zwakker worden. En we hebben samenwerkingen lopen met diverse farmaceuten bij de ontwikkeling van diverse geneesmiddelen. Het algemene doel is van onze installatie is eigenlijk heel simpel: een nieuwe wereldwijde standaard zetten voor onderzoek binnenin cellen.’
Foto bovenaan: De quantum biosensor in het Mashaghi-lab, met van links naar rechts Russell Quinn, Alireza Mashaghi, Vahid Sheikhhassani.
Eerste toepassing van quantum-onderzoeksprogramma
Stichting QDNL (voorheen Quantum Delta NL) is een onderzoeksprogramma van het Nationaal Groeifonds, gericht op het ontwikkelen van Nederland als topspeler op het gebied van quantumtechnologie. Het programma, waarvan de Universiteit Leiden partner is, ontving 615 miljoen euro van het Nationaal Groeifonds. De quantum biosensor is een van de eerste toepassingen die kon worden gerealiseerd met middelen vanuit dit programma.