geneeskunde

De proefdiervrije toekomst krijgt al gestalte in het lab, met minibreinen en organen-op-een-chip

Wetenschappers in het hele land werken hard aan manieren om minder proefdieren te gebruiken. Hoe weet je dan of een medicijn of voedingstof veilig is? De laatste stand van zaken in het lab, zoals het orgaan-op-een-chip.

Maartje Bakker
null Beeld Rein Janssen
Beeld Rein Janssen

Dierproeven zijn zo oud als de wetenschap zelf – of in elk geval zal het niet veel schelen. Al in de Oudheid voerde Aristoteles experimenten uit op dieren. Hij liet ze dan sterk vermageren en doodde ze door hun keel dicht te knijpen. Zo werden de bloedvaten goed zichtbaar: niet verzonken in het vetweefsel, en met al het bloed er nog in. Het bracht Aristoteles op het idee dat het hart het centrale orgaan is in het lichaam: voor de bloedsomloop, voor aansturing van het bewegingsapparaat, voor het gevoel, ja, zelfs voor de ziel, meende de Griekse wijsgeer.

Nu, meer dan tweeduizend jaar later, gebruiken wetenschappers nog steeds volop proefdieren. Nederlandse biomedici vormen daarin geen uitzondering. Jaarlijks sterven hier meer dan 400 duizend dieren voor de wetenschap. Onder hen vooral muizen en ratten, maar ook talloze kippen, konijnen en apen.

Tegelijkertijd nemen de bedenkingen bij het proefdieronderzoek toe. Uit de opkomst van de Partij voor de Dieren is af te leiden dat de empathie met dieren groeit en daarmee de wroeging over het lijden van proefdieren. Ook het Nederlandse kabinet zet de laatste jaren in op ‘proefdiervrije innovatie’. Aanvankelijk moest Nederland in 2025 zelfs ‘wereldleider’ zijn op dit terrein; die ambitie is bijgesteld naar ‘voorloper’.

De ontwikkelingen gaan snel. Wetenschappers moedigen elkaar aan om, voordat ze naar proefdieren grijpen, de vakliteratuur na te pluizen, om zeker te weten dat vergelijkbaar onderzoek nergens in de wereld al is gedaan. En een tijdje geleden werd de richtlijn aangepast voor het testen van medicijnen op schadelijkheid voor het ongeboren kind: eerst moest dat op twee drachtige proefdieren (doorgaans ratten en konijnen), nu nog maar op één. Bovendien hebben onderzoekers door het hele land zich gestort op modellen die als vervanging kunnen dienen voor het proefdier.

Hoe ziet die toekomst zonder dierproeven eruit? Wat is dan de manier om geneesmiddelen of voedingsstoffen te testen, voordat de mens ermee in aanraking komt? Virologen, toxicologen en nefrologen openden de deuren van hun labs, om te laten zien hoe organoïden en organen-op-een-chip op termijn proefdieren kunnen vervangen.

1. Organoïden: minibreinen in een petrischaaltje

Daar drijven ze. Minihersentjes. Witte bolletjes, slechts een paar millimeter groot, dobberend in een petrischaaltje, in een lab van het Amsterdam UMC. ‘Het gaat net als bij een menselijke foetus’, vertelt senior-wetenschapper Adithya Sridhar. ‘Je begint met stamcellen, die gaan zich delen en vervolgens specialiseren.’ Het resultaat is dit vormeloze klompje weefsel – zonder de kronkels die hersenen eigen zijn, maar mét alle celtypen van de hersenen erin.

Organoïde: minibrein. Beeld
Organoïde: minibrein.

Als dat minibrein voltooid is, kan het daadwerkelijke experiment beginnen: een virus erbij, en dan maar afwachten of het de cellen aantast. Sridhar laat onder de microscoop zien wat er gebeurt. De cellen hebben nu een kleurtje gekregen: blauw voor de celkernen, rood voor het virus, groen voor de astrocyten (die de zenuwcellen beschermen). ‘We kunnen zo precies zien welke cellen door het virus zijn geïnfecteerd’, licht Sridhar toe.

De minibreintjes nemen niets waar, denkt Katja Wolthers, arts-microbioloog-viroloog en onderzoeksleider. Ze missen de complexiteit van een volledig ontwikkeld brein en ze zijn niet gekoppeld aan zintuigen of pijnbeleving, zoals in het echt. Maar helemaal zeker weet ze het niet. ‘Medisch-ethici denken hier nog over na.’

Het weerhoudt Wolthers en haar collega’s er niet van te onderzoeken hoe dit model van de hersenen reageert op bepaalde virussen. ‘Kort geleden lag hier in het ziekenhuis een kind met verlammingsverschijnselen’, vertelt ze. ‘Zij was ziek door een enterovirus, een groep virussen die ook polio veroorzaakt. Wij proberen dan uit te zoeken: veroorzaakt het virus de verlamming? Of is dat onwaarschijnlijk?’ Als ze het virus bij de minihersenen brengen, en ze zien dat de hersencellen worden aangetast, dan is dat een teken dat het virus iets met de verlamming te maken kan hebben.

Lange tijd was het een automatisme om zulk onderzoek op proefdieren te doen. Je stelde een muis of rat bloot aan een virus en keek hoe het dier daarop reageerde. Nu zijn daar dus alternatieven voor: mini-organen gemaakt uit menselijke cellen.

De organoïden – want zo heten ze – zijn op twee manieren te fabriceren. De onderzoekers kunnen, als de patiënt daar toestemming voor geeft, een beetje weefsel afnemen, bijvoorbeeld uit de darm. Ze winnen de stamcellen eruit en volgen dan een procedé om er een minidarm van te maken.

De tweede manier begint met een aankoop in een stamcelbank. Daar zijn ‘pluripotente’ stamcellen te krijgen. Ooit waren dat bijvoorbeeld huidcellen, maar ze zijn teruggebracht tot stamcellen, en nu kan hun ontwikkeling weer alle kanten op. Door die stamcellen in de ene of de andere kweekvloeistof te laten groeien, ontstaat er een minibrein, een minidarm, of welk orgaan je maar wilt.

Het voordeel van dierproeven is dat je kunt kijken naar het hele lichaam, met alle organen erin. Maar de organoïden hebben ook belangrijke voordelen. ‘Veel virussen hebben specifiek de mens als gastheer’, zegt Dasja Pajkrt, kinderarts-infectioloog en de andere onderzoeksleider op dit lab. ‘Ik zie dan de logica van een dierproef niet. Er wordt weleens onderzoek gedaan met een muis of rat waarin een menselijk gen is gebouwd. Maar voor sommige virussen bestaan zulke genetisch gemodificeerde dieren niet eens. En zelfs als ze wel bestaan, denk ik dat onderzoek in menselijk weefsel beter voorspelt of iets werkt voor de mens.’

Pajkrt zelf werkt onder andere aan de bestrijding van het coronavirus. Zo wilde ze weten of melk van moeders die een coronabesmetting hebben doorgemaakt een virusremmende werking heeft. ‘En jawel, we zagen bij een proef met menselijke darmorganoïden dat de antistoffen uit de moedermelk de corona-infectie remden’, vertelt ze.

Juist voor zulke proeven zijn organoïden heel geschikt, zegt Wolthers. ‘Ik denk dat veel dierproeven met antivirale middelen kunnen worden vervangen’, zegt ze. Inderdaad: ook medicijnen tegen corona.

Het probleem is, zeggen de twee Amsterdamse artsen, dat dierproeven nog altijd worden gezien als de gouden standaard. ‘Wetenschappelijke bladen, autoriteiten die geneesmiddelen toelaten op de markt: ze eisen nog steeds een dierproef om te weten of iets werkt’, zeggen ze. ‘Dat zou moeten veranderen. Pas dan kan er een kentering komen.’

null Beeld Rein Janssen
Beeld Rein Janssen

2. Orgaan-op-een-chip: een minidarm tussen een wirwar van draadjes

De organoïden lijken in veel opzichten op kleine menselijke orgaantjes, maar niet in alle: ze drijven in een vloeistof die maar eens in de paar dagen wordt ververst. In het menselijk lichaam gaat dat anders. Neem de cellen van de darm: die hebben aan de ene kant te maken met een gestage stroom van voedsel en eventueel medicijnen, en aan de andere kant met een constante aan- en afvoer van bloed.

Hoe kun je die vloeistofstromen nabootsen? Meike van der Zande, die werkt als toxicoloog bij Wageningen Food Safety Research, trekt een labjas aan en opent de deur van een soort oven die altijd op 37 graden staat, de temperatuur van het menselijk lichaam. Daar ligt de oplossing: organen-op-een-chip.

Stel je niet een computerchip voor met een klein orgaantje erop. Deze chip is niet meer dan een glasplaatje waarin je een stukje weefsel kunt klemmen. En die orgaantjes? Dat zijn, daar heb je ze weer, organoïden. Of, wat ook kan: ouderwets opgekweekte kankercellen. Ze zijn hier verbonden met een wirwar van draadjes.

‘Door die slangetjes gaan de vloeistofstromen, boven- en onderlangs het weefsel’, vertelt Van der Zande. ‘Zulke stromen blijken heel belangrijk te zijn voor hoe cellen zich gedragen.’

Van der Zande onderzoekt of bepaalde stoffen in het voedsel schadelijk zijn voor de mens. Zo werkte ze veel aan nanomaterialen: minuscuul kleine deeltjes die bijvoorbeeld worden toegevoegd aan koffiemelkpoeder, als antikloddermiddel.

‘De standaardmanier om zoiets te testen is met een dierproef’, zegt Van der Zande. ‘Maar op dit instituut proberen wij zo veel mogelijk dierproefvrij te werken.’

Een veelgebruikt alternatief is nog altijd de cellijn. In een kweekbakje worden kankercellen, die nu eenmaal de eigenschap hebben dat ze zich maar blijven vermenigvuldigen, aan het delen gezet. Zo ontstaat een stukje weefsel van de darm, lever, of wat dan ook. Dat klompje cellen stellen onderzoekers vervolgens bloot aan de stof waarin ze geïnteresseerd zijn. Het probleem is alleen: in een kweekbakje gaan zulke cellen vaak al snel dood.

Daarvoor bieden organen-op-een-chip een oplossing. ‘Laatst nog hebben we darmcellijnen in zowel een kweekbakje als op een chip drie weken lang blootgesteld aan een schimmelgifstof die kan groeien op granen’, zegt Van der Zande. ‘De cellijnen in het kweekbakje gingen dood, maar de darm-op-een-chip niet.’ Op dit moment doet ze een soortgelijk experiment met organoïden.

Het is een belangrijke stap vooruit dat de cellen op een chip langer blijven leven, want de regels schrijven voor dat een toxicologische proef 28 of 90 dagen moet duren. Als de labratten of -muizen gedurende die tijd gezond blijven, dan is de conclusie: dit kan voor de mens ook geen kwaad. Een alternatief voor zo’n dierproef moet die tijdsduur dus kunnen evenaren. Dat lijkt met organen-op-een-chip steeds beter te lukken.

Van der Zande experimenteerde bijvoorbeeld al met zeventien typen dioxines op een darm-op-een-chip. Dioxines kunnen kankerverwekkend zijn en een enkele keer komen ze in een te hoge concentratie voor in vis, vlees, melk of eieren. ‘We konden zien welke van die zeventien dioxines het snelste door de darmwand gaat’, zegt Van der Zande. ‘Als zo’n gifstof snel wordt opgenomen, is dat een belangrijke aanwijzing dat juist die variant riskant is voor de mens.’

En dan zijn er nog de computermodellen, die de proeven in verschillende organen aan elkaar weten te knopen. Van der Zande en haar collega’s testen dan bijvoorbeeld op een darm-op-een-chip in hoeverre een bepaalde stof door de darmwand heen gaat, de computer berekent vervolgens hoeveel er via het bloed naar de lever wordt getransporteerd en met een lever-op-een-chip kijken de onderzoekers weer hoe snel de stof in de lever wordt afgebroken. De vuistregel: hoe korter een giftige stof in het lichaam blijft, hoe minder schade die kan aanrichten.

‘Ik hoop dat we over vijf of tien jaar dit soort methoden kunnen gebruiken om vragen van de overheid te beantwoorden’, zegt Van der Zande. Er zijn nog genoeg hobbels te nemen, vertelt ze. Met vaste stoffen is het bijvoorbeeld nog lastig experimenteren op de chip. De dunne slangetjes die de aan- en afvoer verzorgen verstoppen snel. Zelfs een potje babyvoeding is in de praktijk niet vloeibaar genoeg.

Van der Zande is ervan overtuigd dat organen-op-een-chip, organoïden en computermodellen veel potentie hebben om dierproeven te vervangen. ‘Iedereen is hier heel druk mee. Het wachten is totdat dit soort methoden worden geaccepteerd door de regelgevers. Die lopen natuurlijk altijd een beetje achter op de wetenschappelijke praktijk. Ook zij moeten dit soort modellen leren kennen en er vertrouwen in krijgen.’

Taxidermie door De Shop tweedeleven/Linsy Paspont. Beeld Rein Janssen
Taxidermie door De Shop tweedeleven/Linsy Paspont.Beeld Rein Janssen

3. Multi-orgaan-op-een-chip: op naar een model van een heel mens

Bas van Balkom, onderzoeker op de afdeling nefrologie en hypertensie van het UMC Utrecht, deed ooit zelf onderzoek met proefdieren. Muizen of ratten met nierschade, die hij steeds zieker zag worden naarmate een experiment langer duurde. ‘Ik ben daar nooit enthousiast over geweest’, zegt hij. ‘Soms werk je met ratten of muizen die amper meer leven. Dat is niet leuk, niet voor die diertjes en niet voor jezelf.’

De bioloog ging dus op zoek naar een ander model om nierschade, en behandelingen die de niercellen herstellen, te onderzoeken. Hij kwam uit bij een ‘multi-orgaan-op-een-chip’. Daarbij zijn verschillende organoïden met elkaar verbonden via de kanaaltjes die over de chip lopen – bij Van Balkom zijn dat de nier en de lever. Een pomp, die het ritme van het hart imiteert, laat een vloeistof langs de mini-organen circuleren.

Van Balkom heeft grootse plannen om verder te bouwen aan zijn mens-op-schaal. Het eerste wat hij wil is vetcellen toevoegen aan zijn model. Voor het functioneren van de lever en de nieren maakt het namelijk nogal uit of er magere of obese vetcellen aanwezig zijn. En daarna een hart, of de darmen. Of misschien toch een alvleesklier?

‘Een heel belangrijke oorzaak van nierfalen is diabetes’, legt Van Balkom uit. ‘Dat is een ziekte die eigenlijk op alle organen in het lichaam effect heeft: niet alleen de nieren zijn aangetast, maar ook bijvoorbeeld het hart en de bloedvaten. Je wilt dus het liefst een model gebruiken waarbij je niet alleen het effect van een behandeling op de nieren ziet, maar ook op de andere organen.’

Een model met verschillende organen heb je niet zomaar, bekent de onderzoeker. ‘We zijn tweeënhalf jaar bezig geweest om een werkende combinatie van nier en lever te vinden waarin we ook het effect van een behandeling kunnen testen. De organoïden leven bij ons in dezelfde kweekvloeistof en het valt niet mee om iets te vinden waar meerdere organen goed in groeien.’

Toch gelooft Van Balkom in zijn model. ‘Dit is de manier om het samenspel tussen de organen van het menselijk lichaam zo dicht mogelijk te benaderen.’

Als het lukt een werkzame serie organen-op-een-chip te maken, ziet hij nog een belangrijke toepassing. ‘Modellen als het mijne kunnen een grote rol spelen bij het selecteren van kandidaat-medicijnen’, vertelt de bioloog. ‘Soms hebben farmaceuten wel honderd potentiële behandelingen liggen. Maar stel dat een behandeling van nierschade ertoe leidt dat een hart-op-een-chip stopt met kloppen – dan weet je dat je die behandeling alvast kunt afschrijven. Zo kun je bijwerkingen vroegtijdig opsporen. Ook dat scheelt proefdieren.’

Want dat is voor al deze wetenschappers het grote doel: een einde maken aan het proefdieronderzoek. Misschien duurt het nog tien jaar, waarschijnlijk nog tientallen. Maar ooit komt het moment dat proefdieren niet meer nodig zijn. Aristoteles zou versteld staan.

Daling aantal proefdieren: langzaam maar zeker

In coronajaar 2020 steeg het aantal dierproeven dat in Nederland werd gedaan licht. Er werden 448.789 dieren gebruikt voor onderzoek; dat waren er 142 meer dan het jaar ervoor. In de zoektocht naar een oplossing voor corona waren er meer proefdieren nodig, bijvoorbeeld resusapen. Toch bleef de stijging beperkt, doordat het werk in sommige labs stil lag door de lockdowns.

Kijk je verder terug naar het verleden, dan daalt het aantal dierproeven, maar erg snel gaat die afname niet. In 2010 werden er nog 575.278 proefdieren gebruikt. Dat aantal bereikte een piek in 2014, met 621.027 proefdieren. Daarna werd de daling ingezet.

Op de langere termijn neemt het proefdiergebruik wél behoorlijk af. In 1978, toen voor het eerst het aantal proefdieren werd geregistreerd, stond de teller nog op 1.572.534.

Meer over