Dagelijks verschijnen er op de Nederlandse en internationale websites van ICT&health berichten over innovatieve internationale studies, nieuwe behandelmethodes, geavanceerde diagnostiek. Vaak nog aan het begin van een lang traject, maar zeker ook veelbelovend. Vanaf deze editie lichten we een aantal van deze berichten toe om u ‘food for thought’ te bieden.
Nanomedicatie via neus versterkt immuunrespons
tegen glioblastoom
Onderzoekers van de Washington University School of Medicine in St. Louis en Northwestern University hebben een innovatieve, niet-invasieve behandelstrategie ontwikkeld voor glioblastoom. Dit is een van de meest agressieve en moeilijk behandelbare hersentumoren. De nieuwe aanpak gebruikt nanomedicatie die via simpele neusdruppels rechtstreeks naar de hersenen kan worden gebracht. Deze technologie activeert krachtige immuunroutes die normaal gesproken moeilijk te bereiken zijn, en biedt daarmee een veelbelovend alternatief voor de huidige, vaak zeer belastende behandelmethoden.
Glioblastoom treft jaarlijks zo’n 1000 tot 1200 mensen in Nederland. De ziekte vordert extreem snel en is vrijwel altijd fataal. Een belangrijke uitdaging in de behandeling is dat geneesmiddelen de hersenen moeilijk bereiken vanwege de bloed-hersenbarrière. Bovendien staat glioblastoom bekend als een ‘cold tumor’: een tumor die nauwelijks een natuurlijke immuunreactie oproept, waardoor gangbare immunotherapieën weinig effect hebben. De bevindingen van het nieuwe onderzoek zijn recent gepubliceerd in PNAS.
Immuunsysteem activeren
Het onderzoeksteam wilde deze realiteit doorbreken door het immuunsysteem opnieuw te activeren. Daarbij richtten zij zich op het STING-signaalpad (Stimulator of Interferon Genes), een sleutelmechanisme dat het immuunsysteem aanzet wanneer cellen vreemd DNA detecteren. STING-activerende middelen bestaan al, maar vallen snel uiteen in het lichaam en moeten direct in de tumor worden geïnjecteerd. Dit is een invasieve procedure die herhaald moet worden voor voldoende effect.
Om dat probleem op te lossen werkten de onderzoekers samen met nanotechnologie-expert Chad Mirkin van Northwestern University, uitvinder van spherical nucleic acids (SNA’s). Dit zijn unieke nanostructuren waarbij DNA- of RNA-fragmenten dicht rond een goudkern zijn gerangschikt, wat zorgt voor een veel hogere therapeutische potentie dan traditionele toedieningsvormen.
DNA-fragmenten
In deze studie werden SNA’s ontwikkeld die speciaal ontworpen DNA-fragmenten bevatten om de STING-route te activeren in geselecteerde immuuncellen. Vervolgens kozen de onderzoekers voor intranasale toediening, een route die weinig belastend is voor patiënten en waarmee medicijnen via zenuwbanen in de neus direct naar de hersenen kunnen reizen. Tot nu toe was het activeren van het immuunsysteem met nanoschaaltherapie via de neus nog niet aangetoond.
De resultaten zijn veelbelovend. In muizen met glioblastoom bereikte de nanomedicatie selectief de hersenen, activeerde ze vooral immuuncellen in en rond de tumor en veroorzaakte ze geen schadelijke verspreiding naar andere organen. De STING-route werd sterk geactiveerd, waardoor het immuunsysteem veel effectiever in staat was tumorcellen aan te vallen. De impact werd nog groter wanneer de behandeling werd gecombineerd met middelen die T-cellen activeren. In slechts één of twee doses werden tumoren volledig geëlimineerd en ontstond bovendien langdurige immuniteit, een belangrijk voordeel in een ziekte die bijna altijd terugkeert.
Indrukwekkende resultaten
Hoewel de resultaten indrukwekkend zijn, benadrukt onderzoeksleider Alexander Stegh dat STING-activering op zichzelf niet genoeg is om glioblastomen definitief te bestrijden. Tumoren hebben meerdere manieren om immuunreacties te onderdrukken. Het team werkt daarom aan nanostructuren die meerdere immuunsignalen tegelijk kunnen activeren, zodat behandelingen krachtiger en gerichter worden.
Meer informatie: link
3D-bioprinting met longcellen voor onderzoek in extreme omgevingen
Onderzoekers van Texas A&M University hebben een vernieuwende 3D-bioprinttechniek ontwikkeld waarmee zij levende longcellen kunnen nabootsen onder extreme omstandigheden, zoals tijdens vliegreizen of missies in de ruimte. Het onderzoek legt belangrijke nieuwe fundamenten voor veiligere luchtvaart- en ruimtevaartprotocollen en biedt tegelijkertijd veelbelovende perspectieven voor het versnellen van onderzoek naar luchtwegaandoeningen en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.
Wanneer piloten grote hoogteverschillen ervaren of astronauten opereren in een omgeving met lage druk en beperkte zuurstof, worden hun luchtwegen blootgesteld aan omstandigheden die traditioneel celonderzoek nauwelijks kan reproduceren. Volgens projectleiders Zhijian ‘ZJ’ Pei en Hongmin Qin is juist dat realisme van groot belang om goed te begrijpen hoe longweefsel reageert op schommelingen in druk, temperatuur en zuurstofniveau. Met 3D-bioprinting kunnen zij die omstandigheden nu veel nauwkeuriger nabootsen.
Beter analyseren
Het onderzoeksteam gebruikt cartridges gevuld met een bio-inkt waarin levende longcellen zijn opgenomen. Vervolgens wordt deze bio-inkt laag voor laag geprint tot een driedimensionale structuur die sterk lijkt op natuurlijk luchtwegweefsel. In tegenstelling tot klassieke 2D-celkweken maakt deze methode het mogelijk om micro-omgevingen te creëren die veel dichter bij de menselijke fysiologie staan. Hierdoor kunnen wetenschappers beter analyseren hoe cellen overleven, groeien en reageren op extreme omstandigheden.
Uit verschillende deelstudies blijkt hoe gevoelig longcellen zijn voor veranderingen in de printparameters en omgeving. In een onderzoek dat verscheen in Biomimetics bleek bijvoorbeeld dat hogere extrusiedruk tijdens het printen leidde tot aanzienlijk meer celdood. Een ander onderzoek, gepubliceerd in Bioengineering, toonde aan dat blootstelling aan temperaturen tot 55°C resulteerde in verhoogde oxidatieve stress en afname van de celoverleving. Deze bevindingen benadrukken dat het verfijnen van printtechnieken essentieel is om zowel de functionaliteit als de levensvatbaarheid van de geprinte weefsels te behouden.
Geoptimaliseerde bio-inkt
Daarnaast ontwikkelde het team een geoptimaliseerde bio-inkt, een mengsel van collageen en alginaat in een verhouding van 4:1, dat de cellen gedurende zes dagen in leven hield met een indrukwekkende levensvatbaarheid van 85 procent. Dit materiaal vormt een solide basis om complexere longmodellen te bouwen die gebruikt kunnen worden voor experimenteel onderzoek, bijvoorbeeld naar COPD of andere chronische ademhalingsziekten.
De bredere impact van deze technologie is aanzienlijk. Naast toepassingen in de lucht- en ruimtevaart kan deze bioprintmethode worden ingezet als realistisch ziektemodel, wat de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen kan versnellen en verfijnen. Door celreacties onder extreme omstandigheden nauwkeurig vast te leggen, ontstaat een beter begrip van hoe luchtwegaandoeningen zich ontwikkelen en hoe behandelingen daarop kunnen inspelen.
Uiteindelijk zien de onderzoekers een toekomst waarin bio-engineered weefsels on-demand kunnen worden geprint, volledig afgestemd op specifieke onderzoeks- of zorgbehoeften. Wat nu nog experimentele wetenschap is, kan in de komende jaren uitgroeien tot een belangrijke bouwsteen voor personaliseerde geneeskunde en veiligere missies in extreme omgevingen, zowel hier op aarde als daarbuiten.
Meer informatie: link
Multimodale AI verbetert vroege detectie van melanoom
Melanoom blijft één van de lastigste vormen van huidkanker om tijdig te herkennen. Veel verdachte plekjes lijken sterk op onschuldige moedervlekken, waardoor zowel artsen als AI-systemen ze gemakkelijk missen. Bovendien baseren bestaande AI-oplossingen zich meestal uitsluitend op dermoscopische beelden, terwijl cruciale patiëntinformatie, zoals leeftijd, geslacht of de locatie van de afwijking, vaak buiten beschouwing blijft. Juist die combinatie kan de diagnostiek aanzienlijk verbeteren.
Om die kloof te overbruggen ontwikkelde professor Gwangill Jeon (Incheon National University, Zuid-Korea) samen met internationale partners een multimodaal deep-learningmodel dat beeldanalyse combineert met patiëntdata. Volgens Jeon is dat essentieel: “Voor melanoom is vroege herkenning cruciaal. Alleen naar het plaatje kijken is niet genoeg. AI moet leren om zowel visuele kenmerken als patiëntcontext mee te wegen.”
Hoe het model werkt
Het team trainde het systeem op de grootschalige SIIM-ISIC-dataset, met ruim 33.000 huidafbeeldingen en bijbehorende metadata. Het model leert zo verbanden te zien tussen wat op de huid verschijnt en wie de patiënt is. De prestaties zijn opvallend: zeer hoge (94,5%) nauwkeurigheid en een F1-score van 0,94, aanzienlijk beter dan gangbare modellen die alleen met beelden werken, zoals ResNet-50 en EfficientNet.
Een aanvullende analyse laat zien welke factoren het zwaarst meewegen: onder meer de grootte van de laesie, leeftijd van de patiënt en de plek op het lichaam. Deze transparantie helpt om AI-beslissingen beter te begrijpen en te vertrouwen. Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in Information Fusion.
Toepassingen in de praktijk
Volgens Jeon is het model klaar voor doorontwikkeling richting real-life diagnoseondersteuning. Denk aan:
- AI-ondersteunde triage in dermatologiepraktijken.
- Teledermatologie, waarbij patiënten op afstand worden beoordeeld.
- Smartphone-apps voor vroege risicoscreening
- Door beeldinformatie te combineren met patiëntcontext kan de technologie misdiagnoses verminderen, toegang tot zorg vergroten en bijdragen aan persoonlijkere preventie.
Met deze studie laten de onderzoekers zien hoe multimodale AI een waardevolle brug kan slaan tussen machine-learningmodellen en klinische besluitvorming. Dit is een stap richting snellere, betrouwbaardere en meer toegankelijke huidkankerdiagnostiek.
Meer informatie: link
Programmeerbare virtuele mens kan medicijnontwikkeling verbeteren
Het ontwikkelen van een nieuw medicijn kost vaak 10 tot 15 jaar, vele miljarden euro’s en mislukt in meer dan 90 procent van de gevallen. Dat proces moet anders, vinden onderzoekers You Wu en Lei Xie van Northeastern University. Hun voorstel: een virtuele programmeerbare mens: een digitaal mensmodel dat met behulp van AI voorspelt hoe een nieuw medicijn niet alleen één doelwitmolecuul beïnvloedt, maar het complete lichaam.
Volgens Xie ligt het probleem in de huidige aanpak. Vroege testen richten zich vooral op één gen of één eiwit, vaak in diermodellen of reageerbuizen die nauwelijks lijken op de complexe menselijke biologie. Zelfs wanneer een middel veelbelovend oogt, is onduidelijk hoe het zich gedraagt binnen het grote netwerk van DNA, RNA, eiwitten en metabole processen. De resultaten van het onderzoek zijn onlangs verschenen in Drug Discovery Today.
Programmeerbare virtuele mens
De voorgestelde programmeerbare virtuele mens bouwt voort op het concept van een digitale tweeling, maar gaat veel verder. Waar digitale tweelingen vooral leren van bestaande medicijngegevens, moet deze nieuwe virtuele mens ook kunnen voorspellen wat er gebeurt met volledig nieuwe stoffen, zonder dat er eerst op proefpersonen getest hoeft te worden. Door fysische, biologische en klinische modellen te combineren met AI die getraind is op enorme datasets, kan het platform simuleren hoe een middel zich verspreidt, ingrijpt in moleculaire processen en mogelijk bijwerkingen veroorzaakt.
Vooral bij complexe ziektes, denk aan Alzheimer of neurologische aandoeningen waarbij meerdere genen en processen tegelijk betrokken zijn, kan zo’n virtuele mens grote waarde hebben. In plaats van te testen op één doelwit, kunnen onderzoekers zien wat er op systeemniveau gebeurt, en dus veel eerder bepalen of een middel kans van slagen heeft.
Minder mislukte trials
Het potentieel is groot: betere voorspellingen over effectiviteit en bijwerkingen zouden het aantal mislukte trials drastisch kunnen verlagen, tijd besparen en de kosten van geneesmiddelontwikkeling terugdringen. Toch is er nog werk aan de winkel. Er moeten datasets worden uitgebreid, modellen verder worden gekoppeld, en samenwerking met industrie en academie is noodzakelijk.
Volgens Xie gaat het dan ook niet alleen om AI, maar om een fundamentele koerswijziging. “Echte innovatie ontstaat pas wanneer AI ons helpt te begrijpen hoe het hele menselijk systeem op behandeling reageert”, zegt hij. “We bouwen aan een platform dat leert en redeneert over alle lagen van de biologie. Dat is niet sneller zoeken, dat is het opnieuw definiëren van de ontwikkeling van geneesmiddelen.”
Meer informatie: link
Draagbare ‘magnetron’-technologie voor toegankelijke monitoring
Aan de Universiteit van Oulu in Finland zetten onderzoekers een belangrijke stap om geavanceerde gezondheidsmonitoring rechtstreeks naar de patiënt te brengen. Door gebruik te maken van microgolftechnologie in draagbare en draagbare formaten, laat het team zien hoe diagnostisch onderzoek verder kan gaan dan gespecialiseerde ziekenhuizen en ook in de dagelijkse zorgomgeving kan worden toegepast.
Stel je een beha voor die vroegtijdige opsporing van borstkanker ondersteunt, een beenmouw die opkomende bloedstolsels signaleert, of een lichtgewicht helm die de effecten van bestralingstherapie kan monitoren. Dit zijn geen verre visioenen, maar prototypes die voortkomen uit het 6GESS-onderzoeksprogramma. Onder leiding van Mariella Särestöniemi, samen met Teemu Myllylä, Jarmo Reponen, Mikael von und zu Fraunberg, Juha Nikkinen, Sami Myllymäki en hun studenten, ontwikkelt de groep oplossingen die geavanceerde sensortechnologie toegankelijk maken in zowel de eerstelijnszorg als in afgelegen regio's.
Voor een land als Finland, waar lange afstanden de deelname aan diagnostiek kunnen ontmoedigen, zou de impact aanzienlijk kunnen zijn. “In plaats van honderden kilometers te reizen voor gespecialiseerde onderzoeken, zouden mensen voorlopige scans kunnen ondergaan in hun plaatselijke gezondheidscentrum”, legt Särestöniemi uit. “Dit verbetert niet alleen de vroege opsporing, maar versterkt ook de regionale gelijkheid in de gezondheidszorg.”
Veilig, snel en draagbaar
Särestöniemi richt zich vooral op het gebruik van microgolven in draadloze gezondheidstoepassingen. Microgolfsensoren analyseren hoe radiosignalen zich gedragen wanneer ze door verschillende weefsels gaan. Afwijkingen, zoals tumoren, veranderen het signaal, wat klinisch relevante gegevens oplevert. De aanpak maakt gebruik van signalen met een laag vermogen, waardoor de technologie zowel veilig als efficiënt is.
Omdat de componenten compact en kosteneffectief zijn, is de technologie bijzonder geschikt voor draagbare of draagbare apparaten. “Het wordt haalbaar om apparatuur te ontwerpen die kan worden ingezet in gezondheidscentra of zelfs ambulances”, merkt ze op. Metingen duren slechts nanoseconden, waardoor snelle, moeiteloze screenings mogelijk zijn.
Aanvullende optie
Microgolfdiagnostiek kan een aanvullende optie zijn naast mammografie, vooral voor vrouwen die screening vermijden vanwege ongemak of reisbarrières. Traditionele mammografie heeft ook beperkingen bij het opsporen van tumoren in alle borsttypes.
Op microgolven gebaseerde apparaten voor borstkankerdetectie worden al in heel Europa klinisch getest. Särestöniemi wil deze inspanningen uitbreiden met draagbare 'monitoringbeha's' die kunnen worden gebruikt voor snelle, voorlopige controles in kleinere gezondheidsinstellingen. De beha zou kort worden gedragen, de benodigde gegevens vastleggen en de resultaten automatisch doorsturen naar de arts. “Het proces zou net zo eenvoudig moeten zijn als het meten van de bloeddruk”, zegt ze.
Hoewel ze zich nog in de onderzoeksfase bevinden, zijn veel op microgolven gebaseerde gezondheidstoepassingen gestaag op weg naar klinische gereedheid. Als de lopende proeven positieve resultaten blijven opleveren, zouden deze apparaten binnen tien jaar hun weg kunnen vinden naar gezondheidscentra. “Microgolftechnologie is veelbelovend en wordt al geëvalueerd in Europese ziekenhuizen”, benadrukt Särestöniemi. “Het potentieel voor veilige, betaalbare en gedecentraliseerde diagnostiek is aanzienlijk.”
Meer informatie: link
Nieuw tijdperk voor neurowetenschap dankzij supercomputing
In een baanbrekende prestatie die de grenzen van de computationele neurowetenschap verlegt, hebben onderzoekers een van de meest uitgebreide en biofysisch realistische digitale hersensimulaties ooit gebouwd: een volledig gemodelleerde muizencortex. Aangedreven door Supercomputer Fugaku, een van de snelste high-performance computersystemen ter wereld, biedt de simulatie een ongekend kijkje in de dynamiek van de hersenen. De structuur, functie en complexe interacties die cognitie, gedrag en ziekte aansturen.
Het initiatief is een gezamenlijke inspanning van het Allen Institute en verschillende Japanse onderzoeksinstellingen, waaronder de University of Electro-Communications onder leiding van Tadashi Yamazaki, Ph.D. Hun doel: een virtueel brein bouwen dat nauwkeurig genoeg is om ziekteprogressie te modelleren, wetenschappelijke hypothesen te testen en uiteindelijk doorbraken in de neurologie en psychiatrie te versnellen.
Digitale cortex
De virtuele cortex van de muis repliceert zowel de anatomie als het elektrofysiologische gedrag van het echte orgaan. Het bestaat uit:
- Bijna 10 miljoen neuronen.
- 26 miljard synapsen.
- 86 onderling verbonden hersengebieden.
Dit zijn geen abstracte wiskundige constructies, maar gedetailleerde, biologisch onderbouwde modellen. De structuur en elektrische eigenschappen van elk gesimuleerd neuron zijn afkomstig uit uitgebreide datasets, waaronder de Allen Cell Types Database en de Allen Connectivity Atlas. Hiermee hebben onderzoekers een blauwdruk gemaakt van hoe cellen communiceren, hoe signalen zich verspreiden en hoe netwerken synchroniseren of juist niet.
Om deze datasets om te zetten in een functionerend virtueel brein, heeft het team gebruikgemaakt van de Brain Modeling ToolKit en de Neulite-neuronsimulator, waardoor elke digitale neuron in realistische patronen kan vuren, signalen kan afgeven en zich kan aanpassen.
De architectuur van Fugaku, met 158.976 rekenknooppunten die meer dan 400 quadriljoen bewerkingen per seconde uitvoeren, maakt simulaties mogelijk die voorheen onhaalbaar werden geacht. Ter vergelijking: als je met één getal per seconde tot 400 quadriljoen zou tellen, zou dat langer duren dan de leeftijd van het universum. Deze rekenkracht stelt wetenschappers in staat om volledige neurale simulaties uit te voeren die de stroom van elektrische activiteit in netwerken vastleggen.
Grensverleggend
Neurologische aandoeningen zijn notoir moeilijk te bestuderen omdat de schade zich in de loop van de tijd ontwikkelt en vaak niet direct in het levende menselijke brein kan worden waargenomen. Met digitale simulaties kunnen onderzoekers snel door de stadia van de ziekte heen gaan, ‘wat-als’-scenario's testen en onderzoeken hoe vroegtijdige interventie langdurige achteruitgang kan voorkomen.
“Dit werk laat zien dat de deur openstaat”, zegt Anton Arkhipov, Ph.D., van het Allen Institute. “We kunnen deze simulaties nu nauwkeurig en met vertrouwen uitvoeren. Veel grotere modellen, zelfs simulaties op menselijke schaal, liggen binnen handbereik.”
Van muizen- naar menselijke hersenen
De ambitie houdt niet op bij de cortex van een muis. Het langetermijndoel is om simulaties van het volledige brein te bouwen, die uiteindelijk kunnen worden uitgebreid tot biofysisch realistische modellen van het menselijk brein.
Meer informatie: link
