De Twentse hoogleraar dr. ir. Van den Berg bestudeert al ruim tien jaar het gedrag van vloeistoffen in kanalen ter grootte van een mensenhaar. Hij ontdekte dat vloeistoffen zich daarin op een bijzondere manier gedragen en zich elektronisch laten sturen. Samen met nano-onderzoeksinstituut MESA+ ontwikkelde Van den Berg het concept ”lab-on-a-chip”. Dat biedt ongekende mogelijkheden voor biochemische analyse. Met zijn speurwerk won hij onlangs de Spinozapremie, in Nederland de belangrijkste wetenschappelijke prijs.

Een van de eerste toepassingen die Van den Berg ontwikkelde, is een zelftest voor meting van het lithiumgehalte in het bloed van manisch depressieve patiënten. Die gebruiken lithium als medicatie. „Is hun lithiumspiegel te laag, dan keren de ziekteverschijnselen terug, een te hoge concentratie kan vergiftiging veroorzaken”, aldus de nanotechnoloog.

Een wegwerpchip stelt deze patiënten in staat zelf de lithiumspiegel in het bloed te bepalen. „Nu moeten zij precies twaalf uur na de laatste medicijninname in het ziekenhuis een lithiummeting laten doen. Als daar een lange rij staat en je moet voordringen om nog op tijd te zijn, is dat stressvol. Zeker voor iemand die manisch-depressief is. Met de lab-on-a-chiptest kan zo’n patiënt thuisblijven en hoeft hij alleen naar het ziekenhuis als er iets mis is.”

Het bedrijf Medimate, gevestigd op de campus van de Universiteit Twente, kwam rechtstreeks voort uit het onderzoek van Van den Berg. Het maakte de lab-on-a-chiptechnologie geschikt om met slechts één druppel bloed het lithiumgehalte vast te stellen. Marianne Tellegen van Medimate: „Met de lithiummeter, die inmiddels is gevalideerd, kunnen we binnen twee minuten metingen nauwkeurig en betrouwbaar uitvoeren. Het is de bedoeling om de meter in augustus op de markt te brengen.”

Dit eerste succes opent de weg naar veel meer toepassingen, stelt Van den Berg: „Met kleine aanpassingen kunnen we in feite elke elektrolyt in het bloed meten, zoals natrium, kalium, calcium, fosfaat en creatinine.” Hij ziet hier perspectief voor nierpatiënten, die hierdoor beter in staat zullen zijn hun eigen behandeling te sturen. Voordat het zo ver is, zal er echter nog veel onderzoek moeten plaatsvinden.

Al wel toepassingsrijp is een chip waarmee dierenartsen snel calcium- en magnesiumwaarden in het bloed van koeien kunnen meten om melkziekte op te sporen.

Deze veelvoorkomende aandoening treft vooral oudere koeien na het kalven. Doordat een koe veel calcium nodig heeft voor de melkproductie ontstaat er een tekort in het bloed. Dat heeft tot gevolg dat lichaamsfuncties die afhankelijk zijn van calcium niet goed meer functioneren.

Zo functioneren de spieren slecht. De koe kan dan niet of nauwelijks overeind komen. Verder werken de spieren in verschillende organen minder goed, zoals de pens, het hart en de darmen.

Wanneer het bloedmonster wordt opgestuurd, kan het dier al zijn bezweken voordat de uitslag bekend is. „Deze levensbedreigende aandoening kost de boer gemiddeld ruim 200 euro per koe”, weet Van den Berg.

Het bedrijf Blue4Green, opgericht door twee van zijn studenten, ontwikkelde een snelle oplossing: de Farmchip. Een veearts deponeert een druppel bloed op deze chip, stopt hem in een uitleesapparaatje en binnen enkele minuten is het resultaat bekend. „De arts kan dan meteen maatregelen nemen”, aldus ir. Daan Sistermans, directeur van Blue4Green. „We hebben inmiddels een uitgebreide veldtest uitgevoerd met 7000 koeien, met succes. Op basis daarvan is een preventief programma ontwikkeld dat mogelijkheden biedt voor een meer duurzame melkveehouderij.”

Een compleet andere toepassing waarnaar nu een promotieonderzoek loopt, is bepaling van de vruchtbaarheid van spermacellen. Van den Berg: „Bij onvruchtbaarheid ligt de oorzaak voor ongeveer 50 procent bij de man. Om dit vast te stellen moet hij letterlijk met een potje naar het laboratorium. Een huistest is niet alleen prettiger, maar ook veel sneller. De vruchtbaarheid van sperma hangt af van de concentratie, de beweeglijkheid en de vorm van de zaadcellen. We kunnen nu al het aantal zaadcellen in een monster vaststellen; daarbij komt straks een betrouwbare manier om hun beweeglijkheid te meten.” Hij verwacht uiteindelijk ook de karakteristieken van de vorm in kaart te kunnen brengen.

Veel publiciteit kreeg Van den Berg met zijn ”nanopil”, die een compleet laboratorium herbergt om darmkanker in een vroeg stadium op te sporen. „Het zou de kwaliteit van leven enorm verbeteren en bovendien zorgen voor een kostenvermindering in de zorg. Doordat je de ziekte al vroeg diagnosticeert, hoef je bepaalde dure operaties niet te doen en zijn mensen minder lang bij specialisten onder behandeling.”

Hoe de nanopil werkt? „Darmkanker begint vaak met een minuscuul poliepje dat kwaadaardig wordt. Dat merk je niet. Maar die poliep laat wel DNA-sporen achter in de darmen. De nanopil, die zo groot is als een bruine boon, analyseert de darmsappen en herkent ‘foute’ DNA-moleculen. Na meting stuurt de pil het resultaat naar een externe ontvanger, bijvoorbeeld een mobiele telefoon.”

Van den Berg denkt nog zeker vijf jaar nodig te hebben voordat de pil praktisch kan worden toegepast. Maar de chemische meetchips zullen op tal van terreinen een „behoorlijke revolutie” teweegbrengen.

Postzegelformaat

Een lab-on-a-chip houdt in: een dun plaatje plastic of glas, niet groter dan een postzegel, waarmee iemand bloedwaarden kan bepalen. Op de chip zijn nanokanaaltjes aangebracht waar een druppeltje bloed doorheen wordt getrokken wanneer er een kleine spanning op komt te staan. Alle stoffen in het bloed hebben hun eigen loopsnelheid en die zijn te meten: elektrolyten (zouten), mineralen, eiwitten, medicijnen en dergelijke.