HealthTech Nexus met Universiteit Twente

Hoe technologie de natuurlijke loopbeweging weer mogelijk maakt de bionische voet

Binnen HealthTech Nexus, de samenwerking tussen de Universiteit Twente en het Radboudumc, werken onderzoekers aan een ‘Autonomous leg’, een bionische voet. Geen passieve prothese dus of een prothese met vooraf ingestelde beweegregels, maar een prothese die de natuurlijke voetbeweging nabootst. Het doel is dat iemand met deze prothese na amputatie van de voet weer een normaal looppatroon krijgt.  

Wie op constante snelheid een lange wandeling maakt over makkelijk begaanbaar terrein, loopt moeiteloos. Je zet stap voor stap zonder erbij na te denken en kunt ondertussen genieten van je omgeving of een gesprek voeren met degene die met je meewandelt. 'We willen weten of het mogelijk is een systeem te ontwikkelen dat dit nabootst als een voet is geamputeerd, zodat de gebruiker van de prothesevoet niet meer actief het lopen hoeft te controleren', zegt Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente.

Dit is precies de kern van het Autonomous leg onderzoek: een bionische voet, aangestuurd door een synergetisch neuromechanisch model. Dit moet het lopen op verschillende snelheden mogelijk maken voor de gebruiker van een prothesevoet, ongeacht de aard van de prothese. Het Autonomous leg project maakt onderdeel uit van het Europese project SimBionics, gericht op neuromechanische simulatie en sensorische feedback voor de controle van een bionisch been. Dit project wordt in samenwerking gedaan met Ottobock, Aalburg Universität en Roessingh Revalidatie Techniek.

Links: Massimo Sartori, rechts: Ruud Leijendekkers

Natuurlijke voetbeweging nabootsen

'Voor mensen bij wie de voet is geamputeerd, bestaan vooral passieve prothesen en prothesen waarin vooraf gestelde regels zijn verwerkt voor de bewegingen die ermee kunnen worden gemaakt', vertelt Sartori. 'Wij willen komen tot een model dat de natuurlijke voetbeweging nabootst. De beweging wordt aangestuurd door het ruggenmerg dat speciale centrale patroongeneratoren bevat. Zodra deze worden geactiveerd, bewegen ze op het ritme dat ze 'kennen', zoals de loopbeweging. Doordat het een 'ingesleten patroon' is, is het een automatische beweging die weinig denkwerk vraagt. In tegenstelling tot bijvoorbeeld pianospelen, waarbij de hersenen voortdurend actief moeten meewerken.

Om die motorische controle na te bootsen, maakten de onderzoekers een besturingssysteem voor een bionische voet. Sartori: 'Daarmee kunnen we de juiste signalen geven om de spieren aan de voor- en achterkant van het been ritmisch en in een herhalend patroon aan te sturen, zodat de gebruiker op een prettige, ontspannen manier kan lopen.'

Proef op loopband

In een eerste proef hebben de onderzoekers iemand met zo’n bionische voet op twee snelheden laten lopen op een loopband. Doel was in beeld te brengen hoe goed de centrale patroongeneratoren in het ruggenmerg de aansturing van die bionische voet kunnen toepassen. 'We willen kijken of we de meer geautomatiseerde rol van het ruggenmerg kunnen repliceren bij de controle van de benen tijdens ritmische en cyclische bewegingen zoals lopen', zegt Ruud Leijendekkers, universitair hoofddocent en fysiotherapeut Radboudumc. 'Als de hersenen hierin inderdaad geen rol meer spelen, zou dit vermoeidheid bij de gebruiker voorkomen omdat de hersenen minder worden belast.'

De hardware waarbij voor dit onderzoek gebruik wordt gemaakt, is hetzelfde als bij het Mind control onderzoek. 'Het prototype was er dus al', zegt Leijendekkers. 'In de huidige fase is nog een beperking dat het Autonomous leg model voor de besturing met een kabel verbonden is aan de computer. De volgende stap is dit te kunnen loslaten, zodat de gebruiker vrij kan lopen. Dit vraagt om een kleine computer die in de prothese is verwerkt en die de spierbewegingen meet. Hierbij hoort dan een goede batterij en de sensoren die nodig zijn om het model te kunnen personaliseren.'

Testen in de thuissituatie — Uitdaging?

De belangrijkste stap die nog moet worden gezet is nu dus de loskoppeling van de computer. 'Pas als we de prothese stand alone kunnen laten functioneren, kunnen we die buiten het laboratorium gaan onderzoeken', zegt Sartori, 'in huis, op straat of misschien zelfs in het bos. Op plaatsen dus waar geen sprake is van een gecontroleerde situatie.'

'Pas dan kan worden hardgemaakt of het model echt meerwaarde heeft boven passieve prothesen', stelt Leijendekkers. 'Probleem hierbij is dat het model dan wel moet voldoen aan de eisen van de Medical Device Regulation', zegt hij. 'Het wordt immers aangemerkt als een medisch hulpmiddel op het moment dat we het uit de laboratoriumsetting halen en de gebruiker er in de thuissituatie mee laten lopen. En het is wel nodig om dit gedurende langere tijd te doen, want het is een robotisch onderdeel dat gekoppeld is aan de mens. Die heeft tijd nodig om het in zijn systeem te integreren.' Sartori: 'We kunnen alleen in de praktijk vaststellen of het signaalsysteem dat zorgt voor de aansturing van de voetbeweging na langer gebruik efficiënter wordt.'

Over Health Tech Nexus

Dit onderzoek is onderdeel van Health Tech Nexus, de strategische samenwerking tussen Radboudumc en Universiteit Twente. Samen richten zij zich op het aanpakken van nog onopgeloste vraagstukken in de zorg: dringende uitdagingen waarvoor momenteel nog geen haalbare oplossingen bestaan. In dit project Autonomous leg gaat het om de wetenschappers Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente, en Ruud Leijendekkers, universitair hoofddocent en fysiotherapeut Radboudumc.

Voor meer informatie over SimBionics zie: Simbionics – Neuromechanical Simulation and Sensory Feedback for the Control of Bionic Legs.

Een nieuwe kijk op het netvlies retina-on-a-chip

Het netvlies is een complex en uit verschillende segmenten bestaand onderdeel van het oog. Om nog beter te kunnen begrijpen wat in het oog gebeurt bij patiënten met oogaandoeningen, ontwikkelen wetenschappers binnen HealthTech Nexus, de samenwerking tussen de Universiteit Twente en Radboudumc, een geavanceerder model in de vorm van een zogenoemd netvlies-op-een-chip. In dit model worden de drie verschillende lagen in het netvlies samengebracht. Deze combinatie is niet eerder gedaan. Als dit lukt, kan het model worden gebruikt om nog meer te weten te komen over wat er in het netvlies gebeurt bij oogaandoeningen en hoe daarop met geneesmiddelen kan worden ingegrepen. Een hoopvolle ontwikkeling voor patiënten.

In het project Netvlies-op-een-chip (Retina on a chip) ontwikkelen de onderzoekers een model dat het netvlies nabootst. 'Een complex proces, want het netvlies bestaat uit verschillende soorten cellen die allemaal hun eigen rol hebben maar wel samenwerken', zegt Alex Garanto van het Radboudumc. 'Wat we in het lab ontwikkelen, heeft alle componenten van het menselijke netvlies die relevant zijn voor de functie van het oog. We willen weten hoe het reageert bij ziekten van het oog die door leeftijd of een erfelijke component kunnen ontstaan. Met dierproeven is dit niet altijd gelukt, vandaar dat we nu voor deze aanpak hebben gekozen.'

Het gaat hierbij niet om microchips zoals die in auto’s, smartphones en zo veel andere producten worden toegepast. 'In ons geval gaat het om micro-fluïdische chips', zegt Andries van der Meer van de Universiteit Twente. 'Met vloeistof gevulde compartimenten ter grootte van ongeveer een millimeter. Het netvlies heeft ongeveer een vergelijkbare dikte, vandaar. De weefsels en cellen die Alex produceert zijn niet volledig georganiseerd en missen interacties met andere celtypen. In de Retina on a chip proberen wij er structuur in te brengen. Als we er zo in slagen de functie van het menselijke netvlies na te bootsen, hebben we daarmee een basis gecreëerd om therapieën te testen die kunnen werken om bij oogziekte het proces te herstellen of vertragen.'

Uniek onderzoek

Het combineren van cellen is in onderzoeksettings wel vaker geprobeerd. Maar alle drie de lagen van het netvlies – het vaatvlies, de pigmentepitheel-laag en de zenuwlaag – op een gecontroleerde manier bij elkaar brengen zodat er in die combinatie onderzoek mee kan worden gedaan is nieuw.

'In werken met de mate van complexiteit die hiervoor nodig is, zijn we beslist een van de leidende groepen', zegt Van der Meer. 'En het feit dat we dit op een chip doen, maakt die werkwijze heel secuur. In het oog is sprake van een continue interactie met licht, bloed, druk en mechanische stimulansen. Die kunnen we op die chip heel nauwgezet volgen. Daarmee kunnen we gecontroleerd per parameter aanpassingen doen – iets meer licht, iets meer druk – om het gevolg daarvan in kaart te brengen. We kunnen de technieken die in de kliniek dagelijks worden toegepast repliceren.'

Samenwerking

Samenwerking is in dit verhaal essentieel. 'We maken goed gebruik van de iPS-faciliteit (induced Pluripotent Stem Cells) van Radboudumc, die de cellen maakt die wij nodig hebben voor onze chips', zegt Van der Meer. 'En wij hebben via het TechMed Centrum de bio-engineering kennis in huis voor de fabricage van de chips en de werking ervan' Garanto vult aan: 'Wij hebben de klinische en cellulaire expertise, en de Universiteit Twente heeft de technische. Samen zijn we in staat om wat we nu ontwikkelen terug te brengen naar de kliniek.'

Deze ontwikkeling is interessant voor meerdere partijen om meerdere redenen; o.a. in de zoektocht naar therapeutische oplossingen om verlies van gezichtsvermogen tegen te gaan.

Uitdagingen

Op het moment hebben de onderzoekers nog te kampen met twee grote uitdagingen. 'De eerste is de variabiliteit tussen de modellen die we produceren', zegt Garanto. 'We boeken vooruitgang om die terug te brengen maar zover zijn we nog niet.' Van der Meer: 'In breder perspectief geldt dat we geïnteresseerde partijen moeten laten zien dat we kunnen opschalen. Dat we in een week dus niet één maar honderd Retina’s on a chip kunnen produceren die niet te veel onderlinge variatie vertonen. Punt is dat het pakweg 250 dagen duurt om vanuit stamcellen tot geschikte cellen voor ons doel te komen. Internationaal in ons veld een bekend probleem. We proberen dat proces te versnellen en werken zoveel mogelijk parallel om tijd te winnen.'

Er is nu een prototype van de eerste twee lagen van het netvlies. 'De derde, de zenuwlaag, is nog een uitdaging', zegt Garanto. 'Dat moet van constante kwaliteit zijn en we moeten de functie kunnen bepalen voordat we aan de connectie met de hersenen kunnen gaan werken.' Van der Meer: 'Met de modellen die we nu al hebben, kijken we altijd of we al effecten zien die we in verband kunnen brengen met ziekten in het oog.'

Toekomstperspectief

In antwoord op de vraag wat de ontwikkeling voor de patiënt kan gaan betekenen, zijn beiden nog terughoudend. 'Dat hangt in eerste instantie af van de vraag of de patiënt een therapie verwacht of begrip over wat in het oog gebeurt bij een bepaalde ziekte', zegt Garanto. Van der Meer voegt hieraan toe: 'Zelfs als we het perfecte model morgen al tot onze beschikking hadden, is het nog steeds zo dat de farmaceutische industrie gemiddeld vijf tot tien jaar nodig heeft om een nieuw geneesmiddel te ontwikkelen en toegelaten te krijgen voor klinisch gebruik. Maar voor heel zeldzame genetische ziekten kan de ontwikkeltijd misschien korter zijn. Daarin is de farmaceutische industrie minder geïnteresseerd omdat het om heel kleine patiëntaantallen gaat. Maar in de ontwikkeling daarvan is Radboudumc juist weer sterk.'

Beiden hebben geduld, ze vinden het fascinerend werk wat ze doen. 'Voor mij is de droom om de complexiteit van het menselijk lichaam in het laboratorium na te bouwen', zegt Van der Meer. 'Dat je ziet dat de cellen hun functie behouden als je ze in een laboratoriumsetting bij elkaar brengt. Dan leidt dat automatisch tot de vraag: "Als we dit kunnen, wat zouden we dan nog meer kunnen?" Dat is wat het voor mij boeiend maakt.' Garanto vult de droom net wat anders in: 'Mijn droom is dit sneller bij de patiënt te brengen. Daarom vind ik het zo mooi dat we samen de stap maken van fundamenteel onderzoek naar onderzoek dat echt in de praktijk wordt toegepast.'

Over HealthTech Nexus

Dit onderzoek is onderdeel van HealthTech Nexus, de strategische samenwerking tussen Radboudumc en Universiteit Twente. Samen richten zij zich op het aanpakken van nog onopgeloste vraagstukken in de zorg: dringende uitdagingen waarvoor momenteel nog geen haalbare oplossingen bestaan. In dit project Retina-on-a-chip gaat het om wetenschappers van de Universiteit Twente (Andries van der Meer, wetenschappelijk leider van het Organ-on-Chip Centre Twente) en het Radboudumc (Alex Garanto Iglesias, universitair hoofddocent en onderzoeksgroepleider afdeling Kindergeneeskunde en afdeling Humane Genetica).