‘Een paar jaar geleden immobiliseerden onderzoekers van de technische hogeschool van Lausanne bacteriën op de bladveer of cantilever van een atoomkrachtmicroscoop’, begint Ronnie Willaert, hoofddocent biotechnologie aan de Vrije Universiteit Brussel. ‘Daardoor kun je de bewegingen van een enkele cel volgen met een laser.’ Het nadeel, aldus Willaert, is dat je zo’n cel moet vastzetten, wat een grote invloed kan hebben op hoe een cel zich gedraagt. Bovendien is het niet eenvoudig om een populatie van enkelvoudige cellen te analyseren. ‘Samen met de technische hogeschool van Lausanne vroegen wij ons af of het niet makkelijker zou zijn om de cellen gewoon optisch te bekijken.’ Zo ontstond de optische nanomotiedetectiemethode.

Teken van leven

Je neemt een glasplaatje met daarop een verzameling cellen en een camera, waaraan je een algoritme koppelt dat de bewegingen in de gaten houdt. ‘Eerst gebruikten we alleen een camera, waardoor we onze gistcellen letterlijk zagen bewegen zonder dat we ze vast hoefden te plakken’, legt Willaert uit. ‘Maar om ook de kleinere bewegingen van bijvoorbeeld stervende cellen te kunnen analyseren, moet er een computer aan te pas komen.’ De onderzoekers octrooieerden hun methode en publiceerden die in juni in Science Advances.

‘Om de cellen te zien, heb je een vergroting van vierhonderd keer nodig en een hoge frame rate’, vertelt Willaert. ‘We wilden duizend frames meten over twaalf seconden, dus dat is zo’n 84 frames per seconde.’ Met wiskundige modellen volgden de onderzoekers de celverplaatsing in het x,y-vlak. Een deep learning-algoritme optimaliseerde de meettijd en het aantal cellen dat je kunt volgen.

‘Uiteindelijk maten we twintig individuele cellen tegelijk, en uit de x,y-bewegingen bepaalden we de gemiddelde verplaatsing’, vervolgt Willaert. ‘Over tijd zie je dat die niet symmetrisch is, wat een teken is dat de cel leeft. Door te variëren in voedingsstoffen of temperatuur kun je bij individuele cellen zelfs verschillende nanobewegingen zichtbaar maken.’

Met de nanomotiedetectiemethode kun je ook kijken naar antifungal susceptibility. Willaert: ‘Candida-schimmels (zie foto) bijvoorbeeld infecteren jaarlijks zo’n 1,2 miljard mensen. De infecties worden gevaarlijker doordat resistentie tegen antifungals steeds meer optreedt, vaak door niet-specifiek gebruik van zulke middelen.’ Met de nieuw ontwikkelde methode kun je heel makkelijk en relatief snel een antwoord krijgen op de vraag welke antifungal het best werkt. ‘Je incubeert cellen zo’n een à twee uur met medium en probeert ze daarna te doden met verschillende medicijnen. De beste geef je dan aan de patiënt’, legt Willaert uit.

Buitenaards

Op de achtergrond zijn de onderzoekers al druk bezig de techniek verder te ontwikkelen. Willaert: ‘We proberen onder meer ons systeem zo te verkleinen dat je het kunt integreren met een mobiel apparaat, zoals een smartphone, zodat je de metingen ook in rurale gebieden makkelijk kunt doen.’ Verder is het doel om ook bacteriën en tumorcellen te kunnen gaan volgen. Maar Willaerts droom ligt eigenlijk in de ruimte. ‘Met onze methode kun je buitenaardse partikels analyseren om te zien of ze leven of niet. We hebben een project ingediend bij de European Space Agency, maar het blijft nog even spannend of het erdoor komt.’

_{Willaert, R. et al. (2020). Science Advances 6(26)}