Natuurkundige Freek Beekman bedenkt weer nieuwe truc
Een scanner die in levende muizen alles zichtbaar maakt wat biologen willen zien. Die bouwt Utrechts natuurkundige Freek Beekman. Het belang van dit apparaat, dat in 2005 er moet zijn, is moeilijk te onderschatten. “Het heeft een onvoorstelbare impact."
Voorbeelden van toepassingen die Beekman voor zijn nieuwe scan ziet, zijn bijvoorbeeld het in een lichaam volgen van tumorcellen en ze gericht vernietigen. Of de Alzheimer-veroorzakende plaques bekijken; beelden laten zien van levende muizenhersenen die als model dienen voor schizofrenie, angst- en eetstoornissen en verslaving of in levende muizen het aflezen van genen bekijken. “Ik noem maar wat”, zegt hij laconiek. “Je kunt zoveel bedenken.”
Maar de toepassingen die Beekman noemt in de aanvraag waarmee hij een VIDI-beurs van onderzoeksfinancier NWO in de wacht sleepte, zijn niet helemaal toevallig gekozen. De natuurkundige werkt nu nog op de afdeling Nucleaire geneeskunde in het UMC, maar zijn groep, onderdeel van het Image Sciences Institute, zit midden in een verhuizing naar het stratenum. Daar komt hij in het Rudolf Magnus Instituut (RMI) terecht, tussen biomedici die zich bezig houden met neurowetenschappelijk onderzoek naar onder andere hersenontwikkeling, leergedrag en verslaving.
RMI-onderzoekers hebben hem gesteund in zijn ambitieuze streven voor de bouw van de micro-SPECT. “Het RMI is heel erg in het apparaat geïnteresseerd”, vertelt Beekman. “Zij zagen meteen de biologische relevantie ervan in, ze hebben dan ook heel veel ideeën voor onderzoek.” Wat Beekman niet hoeft te verhuizen is zijn beeldscherm – dat heeft hij namelijk niet. Op de rand van zijn bureau staat een witte plank van anderhalf bij een halve meter. Een permanent op zijn computer aangesloten beamer projecteert het computerbeeld op de plank. Daar valt het grootste en platste tft-beeldscherm bij in het niet.
Hij kijkt uit naar de samenwerking met het RMI. “Het leuke is dat die biologen gewend zijn aan het schrijven van aanvragen voor subsidies”, zegt hij enthousiast. Overigens heeft hij niets tegen het schrijven van aanvragen. “Het voorkomt dat je wereldvreemd wordt. Maar ik vind het jammer dat het zo moelijk is om goed lopend onderzoek te continueren. Het is niet mogelijk om met drie A4-tjes een renewal van je subsidie te krijgen.” Lange tijd was geld een probleem voor Beekman, het idee voor de scanner had hij al lang, maar subsidie loskrijgen lukte maar niet. Zijn geldzorgen zijn nu voorbij. Behalve van NWO heeft hij nu ook van Biopartner, een organisatie die beginnende bedrijven steunt, subsidie gekregen.
God
Het idee voor de scanner deed Beekman op tijdens een sabbatical in Californië, aan de universiteit van Los Angeles, UCLA. Daar had een groep een micro-PET ontwikkeld, een ander soort geavanceerde scanner. “Het broertje van de micro-SPECT", zegt Beekman. “Deze had een onvoorstelbare impact op het biomedische onderzoek. De onderzoekers hadden elke maand wel een publicatie in Science, Nature of PNAS.”
In dit soort moleculair imaging-technieken wordt in Amerika momenteel enorm veel geïnvesteerd. “Europa loopt gewoon hartstikke achter!” Maar toch vond Beekman dat zo’n enorm scherpe scanner ook in Nederland gebouwd moest kunnen worden. Omdat de PET-scanner een theoretische limiet heeft van ongeveer 0,9 millimeter, besloot hij zich te richten op de bouw van een micro-SPECT. Zijn eerste resultaten boekte hij al tijdens zijn onderzoek in Californië. Hij stuitte op scepsis, zo vertelt hij. Tijdens een lezing waar hij zijn bevindingen presenteerde, kwam de wetenschapper Michael Phelps binnen. Een van de uitvinders van de PET-scanner, “een god op zo’n instituut”.
Phelps mopperde op Beekman, omdat die durfde verkondigen dat je met een micro-SPECT kleinere objecten kon bekijken dan met een micro-PET. ‘It’s hard to fight against religion’, kaatste Beekman terug, om Phelps uiteindelijk af te serveren met ‘You can’t change the laws of physics’. Beekman kan nu lachen om het verhaal, dat aangeeft hoezeer aan de grens van de wetenschap zijn voorstellen liggen.
Een SPECT-scanner draait om een radioactief gelabelde stof die gekoppeld is aan een molecuul waarvan je iets wilt weten. Dat kan een molecuul zijn dat alleen op kankercellen voorkomt, maar het kan ook een boodschapperstof in de hersenen zijn die een rol speelt bij angst of depressie. De SPECT-scanner meet de radioactieve straling die het gelabelde molecuul uitzendt en kan ‘terugrekenen’ waar die vandaan komt. Op die manier is het mogelijk in een levend dier de concentratie en de locatie te bepalen van elke stof die je op de juiste manier radioactief kunt labelen. De micro-SPECT die Beekman wil bouwen kan de locatie bepalen met een ongekende scherpte van maximaal tweetiende millimeter. Pas als twee punten dichter dan tweetiende millimeter bij elkaar liggen kan de micro-SPECT ze niet meer afzonderlijk zien. Bestaande scanners halen een scherpte van vier tot anderhalve millimeter.
Maar de micro-SPECT bestaat nog niet. Pas in het begin van 2005 hoopt Beekman de eerste muizen te kunnen ‘imagen’. De scanner bestaat nu alleen nog in de computer. In plaats van prototypes te bouwen, sleutelen de natuurkundigen aan computersimulaties van de scanner. Op die manier is het mogelijk om er achter te komen aan welke eisen onderdelen moeten voldoen om straks de gewenste beeldscherpte te halen. Veranderingen zijn ‘in silico’, zoals dat heet, natuurlijk makkelijker door te voeren dan in een fysiek prototype.
De bouw van een prototype zou ook veel te duur zijn. Omdat Beekman het onderste uit de kan wil halen, heeft hij de allernieuwste onderdelen nodig. “Wij kijken voortdurend naar ontwikkelingen in de ruimtevaart en in de kernfysica. Soms willen we dingen hebben die alleen de NASA nog maar gebruikt. We gaan er vanuit dat de onderdelen die wij nu inplannen, vooral de chips en de camera’s, straks veel goedkoper zijn. Dat is een risico dat we nemen. Als dat namelijk niet zo is, dan is de scanner niet te betalen.”
Maar Beekman is optimistisch gestemd over de bouw van de scanner. Zijn groep heeft onlangs een “hele belangrijke stap” voorwaarts gemaakt met het uitvoerbaar maken van het achterliggende rekenwerk. De gegevens die straks uit de micro-SPECT rollen zijn niet direct sprekend. Het is een hele grote berg informatie over de weg die radioactieve straling heeft afgelegd vanuit de hersenen van een muis tot een van de tweehonderd minicamera’s. Die camera’s verzamelen informatie vanuit allemaal verschillende invalshoeken. Er moet een fikse berekening aan te pas komen om daaruit een beeld te destilleren.
“Wij hebben nu bewezen dat dat op een standaard-pc kan, hiervoor had je er een Cray-supercomputer voor nodig”, stelt Beekman tevreden vast. Het oplossen van dat soort vraagstukken behoort dan ook tot de core business van zijn groep. “Daar ligt onze expertise, daar zijn we echt goed in. Het zijn deze rekentrucs waar we wetenschappelijk gezien van leven. Ik vind het bedenken van zo'n truc heerlijk!”
Rinze Benedictus