ERC Advanced Grants voor Carlijn Bouten en Maurice Heemels

Deze subsidies van 2,5 miljoen euro per stuk worden toegekend door de European Research Council (ERC) aan onderzoek van vooraanstaande wetenschappers, die een origineel high risk-high reward onderzoeksvoorstel willen uitvoeren. De onderzoekers en hun teams kunnen de financiering gebruiken voor hun onderzoek in de komende vijf jaar. 

CARLIJN BOUTEN (FACULTEIT BIOMEDICAL ENGINEERING)

De ambitieuze onderzoeksdoelen waar Carlijn Bouten, hoogleraar Cell-Matrix Interactions in Cardiovascular Regeneration aan de faculteit Biomedical Engineering, aan wil werken met haar ERC Advanced Grant spreken tot de verbeelding.

“Ik wil graag de kennis die wij hebben van tissue engineering beter toepasbaar maken voor patiënten en nu de stap maken naar ‘remote tissue engineering’. Mijn doel nu is om in beschadigd weefsel,  waarin de cellen en structuren chaotisch zijn georganiseerd na wondgenezing (zoals in littekenweefsel) de originele, anisotrope organisatie te herstellen. We zien namelijk nu in de praktijk dat na een beschadiging het litteken en de aansluiting op het gezonde weefsel de zwakke plekken zijn, zowel qua functionaliteit, als ook qua levensduur van het weefsel”, vertelt Bouten.  Ze vervolgt: “Eigenlijk wil ik met deze subsidie tot op de bodem uitzoeken hoe orde en chaos ontstaan in levende weefsels en hoe we orde kunnen herstellen voor betere functionaliteit in hersteld weefsel.”

Levende hartspier

Het onderzoek spitst zich toe op herstel in het levende hart. Daarbij is het doel om uiteindelijk hartweefsel te kunnen herstellen door enkel gebruik te maken van het zelf-organiserende vermogen van het weefsel . “Nadat ik dit vermogen volledig heb uitgeplozen, is het is mijn ambitie om met ultrasound weefsel aan te sporen zich te ordenen. Uit eerder onderzoek is bekend dat dit mogelijk is, maar die onderzoeken vonden niet plaats in levend weefsel. Nu is het zaak om precies te begrijpen wat er gebeurt in levend hartweefsel, om uiteindelijk deze methode te kunnen gebruiken voor een nieuwe non-invasieve herstelmethode in de regeneratieve geneeskunde. Gewoon bij de cardioloog in het ziekenhuis dus, zonder operatie.”

Een ERC Advanced Grant wordt toegekend aan high risk-high reward onderzoek. “Het risico zit hem erin dat we in dit onderzoek er misschien nog niet in slagen om het zelforganiserende vermogen te kunnen sturen, maar dan wil ik in ieder geval bereiken dat we veel beter begrijpen hoe orde en chaos de mechanische en biologische functie van weefsels in het lichaam beïnvloeden,” vult Bouten aan. Carlijn Bouten ontving de subsidie van 2,5 miljoen euro en kreeg daarbovenop nog 0,5 miljoen euro voor apparatuur.

Regeneratieve ultrasound techniek

Een van de collega’s die nauw bij het onderzoek betrokken zullen zijn is Richard Lopata. Als universitair hoofddocent binnen Biomedical Engineering leidt hij onder andere het PULS/e lab, Photoacoustics & Ultrasound Laboratory Eindhoven, en zal hij zich buigen over het veranderen van de structuur van levend weefsel met geluidsgolven. “Bij het eerdere onderzoek ging het om kleine stukjes weefsel in een laboratorium. Wij zijn er heel opgetogen over dat wij nu gaan onderzoeken of we met deze techniek ook levend weefsel kunnen organiseren”, vertelt Lopata. “We gaan de structuur van het hartweefsel sturen met drukgolven, waarbij cellen en weefselmatrix met name de plekken tussen interfererende drukgolven opzoeken waar de druk nul is, de knooppunten dus. Met als uiteindelijke doel dat het herstelde weefsel weer de typisch anisotroop georganiseerde structuur aanneemt van natuurlijk, gezond hartweefsel.”

Daarnaast wordt er nauw samengewerkt met het Leids Universitair Medisch Centrum om de techniek te testen en verfijnen in geïsoleerde ex-vivo kloppende harten afkomstig hergebruikte proefdieren. Naast zeer goede controle over onze experimenten, wordt door hergebruik ook het totale aantal proefdieren dat in Nederland nodig is verminderd. In Leiden hebben ze deze techniek in huis.

Maurice Heemels (faculteit Mechanical Engineering)

Ook het onderzoek van Maurice Heemels,hoogleraar Systeem- en Regeltheorie aan de faculteit Mechanical Engineering, is met recht high risk - high reward te noemen. “In de regeltechniek voor lineaire processen werken we al decennia met lineaire regelsystemen. Deze regelsystemen kennen we door en door, hier zijn krachtige ontwerptools voor en de onderliggende lineaire procesmodellen, die voor het ontwerp nodig zijn, zijn eenvoudig te verkrijgen”, vertelt Heemels. Voorbeelden hiervan zijn in de praktijk terug te vinden in o.a. vele hightech systemen en productieprocessen over de hele wereld.

“Maar, het is cruciaal te zoeken naar performance verbeteringen van onze regelaars, om nog grotere nauwkeurigheden en/of snelheden in de hightech systemen te bereiken. Op dit moment lopen we in de praktijk al tegen de grenzen van lineaire regelaars aan. Er is daarom ook al eerder gewerkt met niet-lineaire of zogenaamde ‘hybride’ regeltechniek voor lineaire en ook niet-lineaire processen. In de hybride regeltechniek proberen we slim te schakelen tussen verschillende lineaire regelaars, omdat we daar enorme prestatieverbeteringen van verwachten.

Dat blijkt echter lastig te vertalen naar de praktijk. Dit wordt vooral veroorzaakt doordat de kracht van de ontwerptools van hybride regelaars in schril contrast staat met die van de tools die beschikbaar zijn voor lineaire regelaars. Het ontbreken van een onderliggende, sluitende theorie onder deze hybride regeltechniek voor lineaire processen is hier debet aan. Zodoende blijft het lastig om de potentiële voordelen van hybride regelaars in de praktijk te verzilveren.”

Hybride regeltechniek gebaseerd op wiskundige projecties

Heemels wil dit hiaat in de regeltechniek vanaf de basis grondig aanpakken. “Ik wil gaan werken met zogenaamde projection-based controllers (PBC). Dit zijn specifieke regelaars waarbij ik ideeën uit de lineaire regeltechniek combineer met slimme wiskundige projectie operatoren, die direct kunnen leiden tot hogere performance in termen van nauwkeurigheid en snelheid (throughput) van de systemen. Om deze regelsystemen te begrijpen en effectief te ontwerpen, is er een geheel nieuw wiskundig beschrijvend model nodig”, zegt Heemels.

Het doorgronden van deze nieuwe klasse van wiskundige modellen is essentieel om de onderliggende theorie van deze hybride regelaars te creëren. “Bovendien is het cruciaal dat we het ontwerp van deze nieuwe regelsystemen kunnen baseren op eenvoudig te verkrijgen procesmodellen. Of beter nog, dat deze systemen zelflerend worden in de zin dat ze automatisch op een data-gebaseerde manier de optimale instellingen leren. Daar willen we ook naar toe werken!”

“Door de rijke onderliggende mathematische structuur van deze nieuwe regelsystemen uit te buiten, geloof ik dat we de genoemde hiaten in de regeltechniek echt kunnen gaan aanpakken. Op basis daarvan kunnen we vervolgens ook ontwerptools gaan ontwikkelen voor in de praktijk,” vervolgt Heemels. “Pas als die ontwerptools aansluiten bij hoe regeltechnici nu werken in de praktijk, hebben we een werkbare oplossing te pakken. Daarmee kunnen we dan de performance verbeteringen gaan realiseren, die we hard nodig hebben in een breed scala van toepassingen in onze maatschappij.”

Fundamenteel

De nieuwe funding vanuit ERC geeft ruimte en focus in het onderzoek. “Het stelt ons in staat de komende vijf jaren echt te focussen op ons onderzoek en de aanpak daarvan en vrij te exploreren. Dat geeft de rust die nodig is om echt fundamenteel stappen te zetten en iets revolutionairs te kunnen doen,” geeft Heemels aan. “Onze eerste stap is in ieder geval het onderzoeken en opstellen van het onderliggende wiskundige paradigma. Daar heb ik al wel ideeën voor hoe we dat kunnen aanvliegen. Ik kijk er naar uit hier met veel energie aan te beginnen.”

Maurice Heemels is optimistisch over de aanpak die hij voor ogen heeft. “Ik verwacht veel van de PBC’s waar we mee aan de slag gaan. Projection-Based Controllers hebben een mooie wiskundige structuur. Dit zou wel eens de doorbraak kunnen zijn waarmee we een stevig fundament kunnen leggen in de hybride regeltechniek,” besluit Heemels. “En daarmee kunnen we dan eindelijk de beperkingen van lineaire regelaars achter ons laten. Dat zou echt wereldwijd een doorbraak zijn in ons vakgebied.”