CYTTRON II

Bioimaging- technologie voor een betere diagnostiek

Amsterdam 2016

Bioimaging- technologie voor een beterediagnostiekCYTTRON II

diagnostiek

CYTTRON II

InhoudVoorwoord 3

Google Earth tot in de cel: ‘Zo ziet het er bij jou ook uit’ 4

Cyttron II in vogelvlucht 8

Maximaal inzoomen zonder risico 10

Microscoopglaasjes gaan digitaal 12

Een moleculaire kaart van het weefsel 17

Cellen in 3D 18

‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’ 21

Cyttron II partners 24

Colofon 25

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

Voor meerinformatie klik op de links en de ikonen

CYTTRON II

Voorwoord

Voor u ligt een fraai boek over de baanbrekende

resultaten die zijn geboekt binnen het LSH-FES-

project Cyttron II. LSH staat voor ‘Life Sciences

& Health’, oftewel de toepassing van de levens-

wetenschappen voor onze gezondheid, en FES

voor ‘Fonds Economische Structuurversterking’,

de zogenoemde aardgasbaten.

Cyttron II begon zijn activiteiten in 2010, na goed-

keuring door de Nederlandse overheid van een over-

koepelend voorstel. Dit voorstel werd ingediend door

een consortium van vele partners – waaronder kleine

en middelgrote bedrijven, multinationals, universi-

taire en medische onderzoeksgroepen, patiënten-

organisaties, en de ministeries van VWS, OCW en

EZ. De FES-subsidie werd ingezet om tot een

publiek-private samenwerkingsverband te komen:

tegen elke euro subsidie van de overheid werd ook

een euro door de partners geïnvesteerd. Na zes jaar

hard werken zijn de resultaten direct inzetbaar voor

patiënten, of kunnen ze worden gebruikt voor onder-

zoek dat heel dicht bij patiënten staat. Hiermee heeft

het consortium aangetoond dat het de onderzoeks-

gelden optimaal heeft ingezet om bij te dragen aan

het verbeteren van de nationale gezondheid, en voor

het aanjagen van de economische bedrijvigheid in

Nederland.

Veel van deze resultaten vindt u terug in dit boek.

U zult versteld staan van de ontwikkelingen in

dit boeiende vakgebied. Ik wens u dan ook veel

leesplezier!

Herman Verheij

L S H - F E S S E C T O R C O Ö R D I N A T O R

Veel ziekten worden veroorzaakt doordat er iets

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

een bepaald soort moleculen, moleculen herkennen

elkaar niet meer, of cellen reageren verkeerd op

signalen van de omgeving. Dat soort fouten op

microscopisch en zelfs atomaire schaal kunnen grote

gevolgen hebben, van verkoudheid tot een dodelijke

ziekte, van reuma tot kanker. Stel dat het mogelijk

zou zijn om in atomair detail naar de cellen van een

patiënt te kijken, dan zouden we misschien kunnen

zien wat er misgaat. En wanneer we dat begrijpen,

kunnen we hopelijk ook daadwerkelijk ingrijpen.

Helaas is het niet mogelijk om een supermicroscoop

te maken met een onbeperkte zoomlens, waarmee

we op een patiënt zouden kunnen inzoomen totdat

we organen tot in atomair detail kunnen waarne-

men. Wat wel kan, is om verschillende technieken

te combineren, en zo toch een alomvattend beeld

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

een lichtmicroscoop voor de cellen, een elektronen-

microscoop voor de moleculen en röntgendiffractie

voor de atomen. Een samenwerking van bedrijven

en universiteiten werkt in het Cyttron II-consortium

aan manieren om dergelijke beelden efficiënt te

verzamelen, te onderzoeken en samen te voegen

tot een alomvattend begrip.

Jan-Pieter Abrahams

H O O G L E R A A R A A N D E U N I V E R S I T E I T E N V A N B A S E L E N L E I D E N E N P R O G R A M M A D I R E C T E U R C Y T T R O N I I

3

CYTTRON II

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

doet, blijven er van al die vissen één zebravisje en

een embryo over. Met je handen kun je steeds dieper

inzoomen op een doorsnede van het embryo. Het

vult al snel het hele scherm. In zwart-wit zie je de

organen, de hersenen, spieren, het oog. Je ziet zelfs

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

geleken met de bacterie is de darmcel kolossaal. Als

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

Je kunt de mitochondriën – de energieleveranciers –

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

de ribosomen die de eiwitten in elkaar sleutelen.

Twee keer het MalieveldIn een verlicht, rond venstertje naast het scherm zijn

embryo’s van zebravisjes te zien: zwarte puntjes met

een glazen staartje eraan, nog geen anderhalve milli-

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

ken moet je zo’n embryo vijfhonderdduizend keer

vergroten”, vertelt Ilse van Zeeland, inhoudsont-

wikkelaar van de tentoonstelling. “In die maximale

vergroting ben je ingezoomd op een foto van acht-

honderd bij vierhonderd meter, bijna twee keer zo

groot als het Malieveld.”

Dertigduizend foto’sDe foto is gemaakt in het Leids Universitair Medisch

Centrum (LUMC). Op de afdeling Elektronenmicro-

scopie is het zebravisje in een beweegbare houder

onder de elektronenmicroscoop gelegd. In een ge-

automatiseerd proces zijn er in vierenhalve dag van

kop tot staart dertigduizend foto’s gemaakt, terwijl

precisiemotortjes de houder met het visje miniem

in twee richtingen verschoven voor iedere volgende

opname. Software met een binnen het LUMC ont-

wikkeld “stitching”-algoritme, plakte op basis van

die onderlinge verschuivingen de beelden nauw-

keurig aan elkaar tot de digitale megafoto. Het grote

“touchscreen” en de zoomsoftware zijn ontwikkeld

in Naturalis.

tekst: Joost van der Gevel beeld: Naturalis

Introductie

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.

4

CYTTRON II

De samenwerking was een project van het Cyttron II-

consortium. Dit consortium wil inzicht krijgen in de

manier waarop moleculaire veranderingen doorwer-

ken in het lichaam en op de gezondheid, om nieuwe

diagnostiek en behandelingen te kunnen ontwikke-

len. Data van verschillende beeldvormende technie-

ken worden daarvoor samengebracht tot één data-

base met een driedimensionaal totaaloverzicht van

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

hele organisme. De Cel Zoomer is illustratief voor dit

streven naar het “totaalplaatje”.

Mens, muis of visMaar waarom stelt Naturalis de Cel Zoomer tentoon?

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

het publiek laten kennismaken met de microwereld”,

verklaart Van Zeeland. “Hoe dieper je inzoomt, hoe

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

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

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

onder de microscoop legt. De cellen zien er bijna

hetzelfde uit. En door het fysiek te maken met

zoomen – een principe dat ze kennen – willen we

begrip kweken hoe klein het allemaal is.”

Lichtgevoelige staafjesJe kan op iedere willekeurige plek in het visje inzoo-

men. Een paar blauwe stippen – hotspots – geven

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

zoomt in op de lichtgevoelige staafjes in het oog.

“… in jouw ogen zitten ook zulke cellen”, zegt de

vertelstem uit het scherm. De Cel Zoomer is volgens

Van Zeeland ook heel geschikt voor onderwijs. “In

medische en biologieleerboeken is doorgaans alles

per orgaan geordend. Hier kun je anatomisch naar

bijvoorbeeld het hersengebied toe en dan inzoomen.

Eigenlijk zou iedere universiteit zoiets moeten

hebben voor het biologieonderwijs.” In het LUMC

wordt een variant op de Cel Zoomer ontwikkeld die

gebruikt zou kunnen worden in de practica.

Zoom in op een volwassen zebravis.

5

CYTTRON II

a

b

e f

i j

a Zwemmende zebravisjes. b Zebravisembryo. c Zebravisembryo. d Lichtgevoelige cellen in het oog.

e Hersencellen. f Kraakbeencel, het zwarte bolletje is de celkern. g Darmcellen, met vingerachtige uitstulpingen. h Een bacterie in de darm.

i Spiercellen. j Dit lijkt ook een cel, maar hier is een onderdeel van een k De kleine bolletjes zijn ribosomen. l Mitochondriën. cel zichtbaar: de celkern met DNA.

Van groot naar klein

6

CYTTRON II

d

c

hg

lk

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

a Zwemmende zebravisjes. b Zebravisembryo. c Zebravisembryo. d Lichtgevoelige cellen in het oog.

e Hersencellen. f Kraakbeencel, het zwarte bolletje is de celkern. g Darmcellen, met vingerachtige uitstulpingen. h Een bacterie in de darm.

i Spiercellen. j Dit lijkt ook een cel, maar hier is een onderdeel van een k De kleine bolletjes zijn ribosomen. l Mitochondriën. cel zichtbaar: de celkern met DNA.

7

CYTTRON II Infographic

tekst: René Rector beeld: Parkers

Kleiner kijkenRöntgendiffractie 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 elektronen-

microscoop. 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.

3DWeefselcoupes bekijk je normaliter

in het platte vlak. Een nieuwe scan-

techniek maakt het mogelijk ook op

weefselniveau een 3D scan te maken.

Cyttron II in vogelvluchtDe 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.

8

CYTTRON 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.

AutomatiserenSommige taken van een patho-

loog 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 massaspectro-

meter en de beelden te combineren,

krijgt een onderzoeker veel meer

informatie over wat hij ziet: waar

cellen bezig zijn met delen

bijvoorbeeld.

9

CYTTRON II Case study

Structuurbiologen houden zich graag bezig met het

ontrafelen van de opbouw van eiwitten en andere

ingewikkelde vormen als ribosomen of virussen.

De functie van een stof heeft namelijk alles te maken

met zijn vorm. Eiwitten, de werkpaarden van een

cel, zijn bijvoorbeeld kunstig gevouwen op een

manier die past bij hun functie. Om te begrijpen

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

zien. Dat geldt ook voor virussen of zelfs medicijnen.

Dik aluminiumfolieMet het blote oog zijn die stoffen niet te zien. Voor

een lichtmicroscoop zijn ze ook te klein. Een manier

om ze te kunnen bestuderen is met röntgenstraling,

maar dan moet je eerst een kristalstructuur kunnen

maken van het object dat je wilt bestuderen. Dat

lukt met lang niet elk materiaal. Een andere manier:

de elektronenmicroscoop. Dat apparaat gebruikt

elektronen om het voorwerp af te beelden. Een bun-

del versnelde elektronen wordt in een vacuüm buis

afgeschoten op het object. Elektronen die door het

preparaat heen gaan worden sterk vergroot, zoals

dia’s in een projector, en vervolgens geregistreerd en

vastgelegd in een beeld met behulp van een camera.

Met een elektronenmicroscoop kun je goed een

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

om de vouwing van een eiwit of de mantel van een

virus in kaart te brengen.

Elektronenmicroscopen hebben het de afgelopen

decennia een stuk makkelijker gemaakt voor bio-

logen om onze kleinste bouwstenen te onderzoeken.

De techniek gaat met sprongen vooruit: tien jaar

geleden was het kleinste detail dat je ermee kon

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

tienden nanometer kun je met een elektronenmicro-

scoop zichtbaar maken; in één nanometer passen

ongeveer vijf atomen. Ter vergelijking: een bacterie

meet zo’n tweeduizend nanometer en aluminium-

folie is tienduizend nanometer dik.

Dunne chipsEr kleven echter twee nadelen aan het gebruik van

een elektronenmicroscoop voor biologische structu-

ren. “Allereerst bewegen moleculen bij lichaams-

of kamertemperatuur alle kanten op. Daarnaast

worden objecten snel kapot geschoten door elektro-

nen”, zegt Frank de Jong, directeur Partnerships van

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.

10

CYTTRON II

microscooptechnologiebedrijf FEI (Field Electron

and Ion Company). Het eerste probleem kun je vrij

eenvoudig oplossen met cryo-elektronenmicrosco-

pie: 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

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

lastig af te stoppen en raken daardoor verstrooid.

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

dere pixels markeren. In de Falcon is dat opgelost

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

“Elektronen gaan erdoorheen, en laten een signaal

achter dat ze er geweest zijn. Zo verspreiden ze zich

minder”. Door bovendien de camera te koelen, zorg

je voor nog minder ruis.

Movie-modusDat de camera een uitkomst is voor onderzoekers

kan Marin van Heel, hoogleraar Data-analyse voor

cryo-elektronenmicroscopie aan de Universiteit

Leiden, beamen. “Door de hoge gevoeligheid van

de camera heb je vier keer minder elektronen nodig

om een goed beeld te krijgen. Een ander voordeel

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

object maken in een seconde. Door die beelden

achter elkaar te zetten krijg je een beter beeld.”

Bovendien kun je hiermee “de hele soep bekijken”,

zegt Van Heel. “De moleculaire machientjes in je

preparaat hebben verschillende functionele toestan-

den. Een enzym kan bijvoorbeeld aan een substraat

zijn verbonden om een reactie te versnellen, of al

zijn teruggekeerd in zijn oorspronkelijke toestand.

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

Een directe toepassing van de techniek is ontwik-

keling van medicijnen. Van Heel: “Denk maar aan

een antibioticum. Je kunt heel precies zien hoe

de stof iets bij een bacterie blokkeert. Zo kun je

gerichter medicijnen ontwikkelen.” Met behulp

van de Falcon kan ook een virus als HIV nog beter

in kaart worden gebracht, om beter te begrijpen

hoe het virus zich gedraagt.

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.

BE

EL

D:

JUL

IAN

VO

N D

ER

EC

KE

N/

NA

TU

RE

Elektronenmicroscoop Titan met ingebouwde camera Falcon.

11

CYTTRON II Interview

tekst: Elles Lalieu

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

12

CYTTRON II

Microscoopglaasjesgaan 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

CYTTRON II

Pathologie speelt een cruciale rol in het bepalen van

het ziektebeeld, met name bij diagnose van kanker.

Verdachte weefselmonsters worden met een micro-

scoop onderzocht om te bepalen of het tumorweefsel

kwaadaardig is. Aan de hand daarvan brengt de

patholoog advies uit over de behandeling van de

patiënt.

“De microscoop blijft natuurlijk een fantastisch

apparaat, maar er zitten nadelen aan de logistiek van

preparaten op glas”, vertelt Dirk Verhagen, onder-

zoeker en ontwikkelaar bij Philips. “Je kunt beelden

kwijt raken, bijvoorbeeld doordat glaasjes breken of

doordat je het preparaat doorstuurt naar een specia-

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

van pathologische beelden makkelijker te maken,

ontwikkelde Philips als onderdeel van het Cyttron

II-onderzoeksprogramma de IntelliSite digitale

pathologie-oplossing. Het systeem bestaat uit een

glaasjesscanner, een beeldbeheersysteem en soft-

ware waarmee de patholoog de beelden kan delen

en beoordelen.

Behoorlijke datavolumesIn het bezoekerscentrum in Best demonstreert

Verhagen hoe het systeem werkt. Hij plaatst een

microscoopglaasje in de scanner, doet de deur dicht

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

de scan klaar. De eerste scanners deden een halfuur

over zo’n glaasje. Deze scanner kan driehonderd

glaasjes in vijf tot acht uur verwerken. “Dat maakt

dat scannen aantrekkelijk is geworden voor patho-

logisch onderzoek”, vindt Verhagen.

Niet alleen de duur van het scannen is flink naar

beneden gebracht, ook de opslag van de beelden die

eruit rollen is nu betaalbaar. “Afhankelijk van wat je

precies scant, komen er databestanden uit variërend

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

datavolumes, die je allemaal ergens moet opslaan.

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

al goedkoper dan het opslaan van microscoopglaas-

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

Verhagen.

“Bladeren” door weefselImagingspecialist Jelte Vink van Philips was verant-

woordelijk voor de ontwikkelingen aan het digitale

pathologiesysteem. “Het apparaat was er al. Wat

we de afgelopen vier jaar met name gedaan hebben,

zijn updates van de software waardoor het mogelijk

wordt om beelden naast elkaar te leggen of op

dezelfde plek in een preparaat naar verschillende

kleuringen te kijken”, legt hij uit. Verhagen kan

dit direct demonstreren met beelden die eerder

op de computer zijn opgeslagen. Stel; de arts heeft

een stukje weefsel weggenomen bij een patiënt en

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

dan groeit. De patholoog maakt hele dunne plakjes

van het weggenomen weefsel en prepareert die alle-

maal op een eigen glaasje. Door de glaasjes één voor

één te bekijken, valt iets te zeggen over de locatie

van de tumor. Bijvoorbeeld of hij oppervlakkig zit

of juist diep in het weefsel.

“Na het scannen van de glaasjes kun je beelden naast

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

gen uit. “Virtueel kun je de verschillende plakjes dus

weer op elkaar leggen en zo als het ware door het

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

precisie zeggen hoe een tumor bijvoorbeeld in de

diepte groeit.”

Gevoelige tumorcellenBij het prepareren van microscoopglaasjes krijgt

ieder plakje weefsel zijn eigen kleuring. En met

iedere kleuring kun je verschillende dingen aanto-

nen. Met de computer kun je nu heel precies twee

verschillende kleuringen van hetzelfde gebied naast

elkaar leggen. Verhagen laat het zien. Op het eerste

FO

TO

: P

HIL

IPS

IN

TE

LL

ISIT

E P

AT

HO

LO

GIS

T S

UIT

E

14

CYTTRON II Microscoopglaasjes gaan digitaal

glaasje zijn de celranden aangekleurd met roze en

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

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

hij. “Het weefsel ligt dan niet mooi geordend, maar

toont een wildgroei van cellen. Gebieden die hele-

maal blauw-paars lijken te kleuren, markeren het

tumorweefsel.”

Op het tweede glaasje is een bruine kleuring

gebruikt, die aangeeft of een patiënt ontvankelijk is

voor hormoonbehandeling. Wat je aan dit voorbeeld

ziet, is dat de gebieden die op het eerste glaasje

blauw-paars kleurden op het tweede glaasje bruin

kleuren. Dat betekent dat deze patiënt tumorcellen

heeft die ontvankelijk zijn voor hormoonbehande-

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

dergelijke chemotherapie (bijvoorbeeld het medicijn

Herceptin) kan consequenties hebben voor het

functioneren van het hart. Dus dat wil je niet zomaar

geven aan een patiënt die het niet nodig heeft.”

Centraal scannenHet naast elkaar leggen en linken van beelden is

iets dat met losse microscoopglaasjes niet mogelijk

is. Daarnaast heeft het digitale pathologiesysteem

nog een belangrijk pluspunt: het delen van beelden

is heel makkelijk. “Er zijn wel microscopen waar je

met twee tot tien personen tegelijkertijd naar het-

zelfde preparaat kunt kijken, maar dan moet je nog

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

Binnen het LSH-FES-onderzoeksproject tEPIS is

gewerkt aan een oplossing om opgeslagen beelden

overal beschikbaar te maken. Het enige dat je nodig

hebt, is een internetbrowser. Twijfel je over een

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.

FO

TO

: P

HIL

IPS

IN

TE

LL

ISIT

E P

AT

HO

LO

GIS

T S

UIT

E

15

CYTTRON II Microscoopglaasjes gaan digitaal

preparaat, dan kun je direct een patholoog aan de

andere kant van het land inschakelen. Dat is redelijk

revolutionair.

Het delen van beelden maakt mogelijk dat prepare-

ren van microscoopglaasjes wordt gecentraliseerd.

Als alle beelden overal beschikbaar zijn, heeft

immers niet iedereen zijn eigen glaasjes meer nodig.

Volgens Verhagen is die centralisatie kosteneff ectief;

het kan tonnen of miljoenen schelen. “Het laborato-

rium scant alles in en per casus kan een patholoog

worden toegewezen. Binnen de pathologie heb je

15 tot 25 specialismen, maar die heb je als ziekenhuis

nooit allemaal in huis. Als de beelden gelijk naar de

juiste specialist gestuurd worden, krijg je scherpere

diagnoses. Bij de veterinaire pathologie zie je dit al

gebeuren”, vertelt hij.

Philips heeft op dit moment al veel digitale patho-

logiesystemen verkocht. Ze staan onder andere

in Nederland, België, Duitsland, Engeland, Oosten-

rijk, 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 sorterenMet het digitale pathologie systeem kan nu al meer

dan met een microscoop, maar het apparaat moet

in de toekomst nog veel slimmer worden. Onder-

zoekers 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

een bepaald type tumor anders groeit. De patholoog

heeft daar waarschijnlijk nooit zo naar gekeken

omdat hij geen voorbeelden van hetzelfde tumortype

uit het archief kan halen om ze naast elkaar te

onderzoeken.”

Ook kan de computer het werk van de patholoog

makkelijker maken. Bijvoorbeeld bij het zoeken naar

uitzaaiingen. Verhagen: “De patholoog verwijdert

een stukje van een lymfeklier en maakt daar tien

tot vijftig glaasjes van. Die kun je allemaal bekijken,

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

tonen dat er uitzaaiingen zijn. Wat de computer

kan doen, is een voorselectie maken van de beelden

zodat de patholoog de meest ‘verdachte’ beelden het

eerst te zien krijgt.”

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.

16

CYTTRON II Case study

Met een massaspectrometer kun je moleculen identifi ceren. 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.

Deze techniek heet imaging massaspectrometrie.

Imaging massaspectrometrie komt van pas bij alle

aandoeningen waarbij moleculaire veranderingen

een rol spelen. Je kunt bijvoorbeeld kijken naar de

locatie van neurotransmitters in de hersenen van

muizen of naar de verdeling van bepaalde moleculen

die als medicijn kunnen dienen. Er zijn ook meer

diagnostische mogelijkheden, bijvoorbeeld bij

kanker. Een delende kankercel ziet er op het oog

hetzelfde uit als een kankercel die bijna doodgaat,

maar de chemische inhoud van die twee cellen is

heel anders.

“Ons systeem analyseert

de chemische inhoud van

weefsel met een massaspec-

trometer en koppelt die ana-

lyse 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.”

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

beschikbaar voor een groot aantal patiënten”,

vertelt McDonnell.

En dat is belangrijk, want moleculaire veranderin-

gen kunnen behulpzaam zijn bij het stellen van een

diagnose of het vaststellen van een prognose voor

patiënten. Door individueel naar de samenstelling

van moleculen in het weefsel te kijken, kan een

behandeling beter op de patiënt worden afgesteld.

Daardoor wordt deze gecombineerde scantechniek

een stuk eenvoudiger praktisch toe te passen.

Een moleculaire kaart van het weefsel

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

tekst: Elles Lalieu beeld: Imabiotech

17

CYTTRON II Beeldreportage

Binnen de pathologie wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van scanners. Meestal zijn dat scanners die een 2D-beeld van het weef-sel 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 aan-tal 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 opge-lost 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.

Cellen in 3D

tekst: Elles Lalieu

Beeldreportage

18

CYTTRON IICYTTRON II Beeldreportage

Binnen de pathologie wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van scanners. Meestal zijn dat scanners die een 2D-beeld van het weef-sel 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 aan-tal 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 opge-lost 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.

Cellen in 3D

tekst: Elles Lalieu

Beeldreportage

19

CYTTRON II Cellen in 3D

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

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 onzicht-baar 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 kinder-ziektes uit het systeem te halen. Hopelijk kan het apparaat dan in 2017 echt richting pathologie-afdelingen en onderzoeklabs. Hulsken richt zich daarbij niet op specifi eke aandoeningen. “We ontwerpen de scanner juist zo dat hij breed toepasbaar is”, zegt hij. “Want we willen uiteindelijk de hele pathologie digitaliseren.”

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

20

CYTTRON II Procesverslag

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 Univer-siteit Leiden zocht en vond een oplossing.

tekst: René Rector

‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’

Cyttron I

2006-2010

Het idee achter het project is dat

een medisch onderzoeker meer

verbanden kan leggen door beel-

den op verschillend inzoomniveau

en biochemische informatie aan

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-

baar op een röntgenfoto, je

ziet hooguit contouren op een

lichtmicroscoop, en pas bij

een fluorescentie- en confocale

microscoop wordt het wat.

Een elektronenmicroscoop is dan

vaak alweer zo sterk vergrotend,

dat je naar een onderdeel van een

organel zit te kijken. En dat is

niet het enige probleem. “Zwart”

betekent in het ene geval iets

compleet anders dan in het

andere. “Paars” hangt af van

welke kleuring is gebruikt.

Sommige microscopen leveren

alleen zwart-witbeelden. We

proberen aanvankelijk om orde

te scheppen met technieken die

lijken op technieken die worden

gebruikt bij gezichtsherkenning

op foto’s. Dat loopt alleen com-

pleet vast. Tuurlijk: als iemand

met een doos vol glaasjes met

coupes van darmweefsel met

dezelfde kleuring aankomt, kan

een computer na het derde glaasje

echt wel slimme suggesties doen.

Het gaat mank als je met een

nieuwe doos glaasjes met een net

iets andere kleuring binnenkomt.

Het moet dus anders. Weg met

de pixels! Taal moet het zijn.

FO

TO

: C

OL

IN B

UR

NE

TT

FO

TO

: S

AC

SC

OT

T L

EW

IS/

MO

D

21

CYTTRON 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 eiwit-

synthese zit te kijken. Of uit-

zoomen tot de celinhoud zo vaag

is dat het niet meer in onderdelen

te zien is.

We bestuderen gene-ontology,

een bestaande ontologie voor

genetica. Al snel komen we

erachter dat dat zeker bruikbaar

is, maar we stuiten meteen op

een netelig probleem: je moet

elk beeld apart annoteren. Voor

een paar beelden gaat dat nog

wel, maar als je tweehonderd

foto’s moet vertalen in een

omvangrijke ontologie, wordt

dat vervelend. Welke onderzoeker

is bereid dat te doen?

Ons project verschuift van een

technisch probleem naar een

menselijk probleem. Zoals

gewoonlijk wordt dat de grootste

uitdaging.

2013

We proberen een spelelement toe

te voegen. Letterlijk: we bouwen

het arcadespel Frogger in in de

gebruikersinterface, waarbij het

hoppen naar de overkant (wat

altijd de bedoeling was van

Frogger: spring met een kikker

een rivier over via boomstammen)

eenvoudiger wordt als termen

waarop je moet “springen”

geannoteerd zijn. Hiermee leren

we de gebruiker dat annotatie

nuttig en lonend is, en moedigen

onderzoekers aan goed te annote-

ren, door ze na afl oop te belonen

met een spelletje.

Uiteindelijk moet een computer

toch weten wat die vage opeen-

hoping paars linksboven in beeld

eigenlijk voorstelt, zodat hij een

onderzoeker kan wijzen op de

aanwezigheid van celwoekering.

We besluiten te gaan experimen-

teren met ontologische beschrij-

ving: een set beschrijvende ter-

men waarbij niet alleen gedefi ni-

eerd is wat die termen betekenen,

maar ook beschreven staat hoe

die betekenissen relaties hebben.

Ontologische beschrijvingen

bestaan al heel lang. Zo weten

we bijvoorbeeld dat “bladeren”

een vast onderdeel is van de ver-

zameling “loofbomen”, categorie

“onderdelen”. “Eik”, “iep” en

“es” zijn onderdelen van die-

zelfde verzameling, maar dan

in de categorie “soorten”. Onto-

logieën hebben clusters, verza-

melingen en een hiërarchische

structuur.

22

CYTTRON II ‘De mens is de uitdaging, niet de techniek’

De imagingtechniek en de

onderzoeker – twee zaken die

je in een handomdraai helder

hebt – beperken wat er in beeld

kan zijn. En daarmee ook de tijd

die je nodig hebt voor annotatie.

Andersom werkt het ook: als

Janssen werkt aan stressrespons

in zijn hersencoupes, dan geeft

de database aanbevelingen

over beelden die óók gaan over

stressrespons. We ontdekken

daardoor bijvoorbeeld dat de

stressrespons bij een gist op

moleculair niveau nauwelijks

afwijkt van die van ons.

2014

Een doorbraak. Niet zozeer in

de techniek, maar in het denken

over adequate invoer. Stel,

onderzoeker Janssen logt in op

de database. We weten dan dat

Janssen onderzoek doet naar

cellen in de hersenstam, omdat

Janssen dat heeft aangegeven

in zijn onderzoekersprofiel.

We weten ook dat Janssen een

set beelden wil annoteren die

afkomstig zijn van een licht-

microscoop. Omdat hij dat eerder

heeft gedaan, of omdat hij dat aan

de database laat weten. Die twee

kenmerken – Janssen, lichtmi-

croscoop – zijn twee enorm

beperkende factoren voor de set

aan ontologische elementen die

Janssen überhaupt kàn annote-

ren. Hij ziet geen eiwitten, want

die zie je niet met een lichtmicro-

scoop. Hij ziet ook geen spiercel-

len, want we weten dat Janssen

hersenonderzoek doet.

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

geslecht bastion. Wat we nog

niet overwonnen hebben, is

“vakjargon”. Als een structuur-

bioloog het over een “atlas”

heeft, bedoelt hij iets anders dan

wanneer een topograaf of een

orthopeed daarover praat. We

zoeken nu nog naar een manier

om te voorkomen dat onderzoe-

kers volgens hun eigen jargon

gaan annoteren zonder dat het

duidelijk wordt via welk jargon

dat is. Het succes van Cyttron II

wordt in dit opzicht bepaald door

de eenduidigheid waarmee het

annoteren gebeurt. Dus ook al

rondt Cyttron II nu af, de klus is

nog niet helemaal geklaard.

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

23

Contact: www.cyttron.org

Partners

Academisch Medisch Centrum Amsterdamwww.amc.nl

TU Delftwww.tudelft.nl

Erasmus Universitair Medisch Centrum Rotterdamwww.erasmusmc.nl

FEI Electron optics bv www.fei.com

Universiteit Leidenwww.leidenuniv.nl

Leids Universitair Medisch Centrumwww.lumc.nl

Maastricht Universitywww.maastrichtuniversity.nl

Naturalis Biodiversity Centerwww.naturalis.nl

Nikon Instruments Europe bvwww.nikoninstruments.eu

Pepscan Therapeutics bvwww.pepscan.com

Philips Electronics Nederland bvwww.philips.nl

Science and Technology Facilities Councilwww.stfc.ac.uk

Universiteit Utrechtwww.uu.nl

Virtual Proteins bv (tot december 2013)

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 alles-omvattend 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.

24

ColofonRedactie

Joost van der Gevel, Elles Lalieu, Rineke Voogt

Hoofd/eindredactie

Sciencestories.nl, René Rector

Vormgeving

Parkers, Rick Verhoog en Sara Kolster

Infographics

Parkers, Marjolein Fennis en Sara Kolster

Projectleiding

Giovanni Stijnen, NEMO Kennislink

Coördinatie

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).