‘Organen maken in een 3D-printer? Moeder natuur is de weefselingenieur par excellence’

Voor de universiteit van Vlaanderen buigt Liesbet Geris (KU Leuven) zich over de vraag wanneer de eerste organen uit een printer kunnen zien rollen.

Het is ondertussen bijna 20 jaar geleden dat een ingenieur in Texas zijn oude inkjetprinter ombouwde tot een bioprinter waarmee hij geen inkt maar wel levende cellen kon printen. In de afgelopen jaren zijn een hele hoop technische en biologische problemen aangepakt, maar wanneer kunnen we de eerste organen uit de printer zien rollen? Dat is de vraag die ik in mijn college voor de Universiteit van Vlaanderen heb aangepakt. Maar laten we beginnen bij het begin.

Van printen tot 3D-printen

Bij het printen van een figuur of een tekst zijn drie elementen belangrijk: het ontwerp, de inkt en de printer zelf. Wanneer we spreker over het printen op papier gebruik je een computer om een ontwerp te maken van je tekst of figuur, dat je vervolgens naar je papier-printer stuurt die het ontwerp print met schrijf-inkt. Ook bij driedimensionaal (3D) printen begin je met het maken van een ontwerp van je 3D-voorwerp op de computer. Vervolgens gebruik je een programma dat dat 3D-ontwerp digitaal in dunne schijfjes snijdt en die schijfjes worden dan naar de printer gestuurd. Een 3D-printer zal die schijfjes dan éen voor één boven op elkaar printen in plastiek, keramiek of metaal, zodat uiteindelijk een drie-dimensioneel voorwerp ontstaat. 3D-geprinte implantaten uit metaal of keramiek worden vandaag de dag al gebruikt als gepersonaliseerde implantaten, bijvoorbeeld in de orthopedie en de tandheelkunde. Op basis van medische beelden van de patiënt kunnen ook plastieke 3D geprinte replica’s van organen met een ingewikkelde interne structuur, zoals het hart, gemaakt worden, die de chirurgen gebruiken om complexe ingrepen beter te kunnen voorbereiden.

Van 3D-printen tot 3D-bioprinten

Weefselbouwkunde, of weefselengineering, is een wetenschapsdomein op de scheidingslijn tussen biomedische en ingenieurswetenschappen. Dat is ontstaan als deel van het antwoord op de groeiende nood aan donororganen. Weefselingenieurs hebben als doel het maken van levende implantaten, op basis van de cellen van de patiënt, die volledig kunnen integreren in het lichaam. 3D-bioprinten is een manier om zulke levende implantaten te maken. 3D-bioprinten maakt gebruik van dezelfde drie elementen als het conventionele printen: ontwerp, (bio)inkt en (bio)printer.

Tijdens de voorbije 20 jaar is niet alleen veel onderzoek gedaan naar de technische verbeteringen van bioprinters, maar ook naar het juiste ontwerp. Pogingen om weefsels te printen zoals ze voorkomen in de volwassen mens, hebben niet de gewenste resultaten opgeleverd. Steeds vaker gaan onderzoekers daarom te rade bij moeder natuur zelf – zij is immers een weefselingenieur par excellence. En moeder natuur maakt geen weefsels door cellen op een draagstructuur te zetten en dan te wachten tot ze gaan samenwerken. Neen, tijdens de ontwikkeling in de baarmoeder, gaan cellen zelf de juiste omgeving creëren waarin ze de weefsels kunnen aanmaken die geleidelijk aan groeien en op termijn de juiste functies gaan uitvoeren. Weefselingenieurs en ontwikkelingsbiologen werken steeds nauwer samen om de juiste blauwdruk voor levende weefsels te vinden.

De bioinkt bestaat hoofdzakelijk uit stamcellen, cellen die zich kunnen specialiseren in verschillende types van weefselvormende cellen (bv. bot, kraakbeen). Een bekende bron van stamcellen is het botmerg. Die cellen worden al dan niet met biomaterialen gemengd om ze extra functionaliteit te geven. Wanneer zowel het ontwerp als de bioinkt klaar zijn, gaat de 3D bioprinter ervoor zorgen dat het ontwerp – net zoals bij het gewone 3D printen – in schijfjes geprint wordt. Een veel gebruikte soort bioprinters is de extrusie-printer waarbij de bioinkt geduwd wordt door een spuitkop (een soort van injectienaald in de printer) die kan bewegen om zo de schijfjes te tekenen. Maar het printen zelf is niet zonder gevaar voor de cellen. Cellen zijn gevoelig voor mechanische belasting – als je hard duwt op een levende cel kan je ze veranderen of zelfs dood maken. De mechanische belasting tijdens het printen kan beïnvloed worden door bijvoorbeeld de vorm van de spuitkop aan te passen.

Uitdagingen voor de toekomst

Met het ontwerp, de bioinkt en de juiste printer voorhanden, kunnen we dan nu weefsels en organen printen? Wel, dat hangt ervan af. Een stuk bot printen om een groot botdefect in een muis te behandelen kan prima. Maar wanneer we naar grotere diersoorten (inclusief de mens) kijken, of naar meer complexe weefsels en organen, dan dienen er zich bijkomende uitdagingen aan. Zo is er de schaalvergroting. Het scheenbeen van een muis is ongeveer een centimeter lang en dat bij de mens meer dan 30 centimeter lang, terwijl een muizencel en mensencel ongeveer even groot zijn. Er zullen meer cellen nodig zijn en ze zullen verder van de rand van het implantaat gelegen zijn. Levende cellen kunnen niet zonder voedingsstoffen en zonder zuurstof. In het lichaam wordt dit aangevoerd door bloedvaten. Wanneer we grotere volumes van weefsels willen printen, zullen we dus ook moeten zorgen dat in ons ontwerp een bloedvatenstructuur wordt opgenomen. Dit is de reden waarom platte of holle weefsels en organen, zoals de blaas, interessant zijn om te printen. De weefsels zijn zodanig dun dat zij deze extra bloedvatenstructuur niet nodig hebben. Andere technische uitdagingen hebben te maken met de productie van voldoende grote hoeveelheden cellen op een kwaliteitsvolle en betrouwbare manier en met de verfijning van de printers zodat de snelheid en de resolutie van het printen omhoog kan gaan.

Neuzen in dezelfde richting

Weefselengineering is een bijzonder interdisciplinaire tak van de wetenschap. Artsen, ingenieurs en biomedische wetenschappers moeten intensief samen werken om goede oplossingen te kunnen vinden voor de noden van de patiënten. Die interdisciplinariteit brengt specifieke uitdagingen met zich mee. Alle disciplines hebben immers hun eigen jargon, hun eigen methodes en hun eigen strategieën om problemen op te lossen. Het vinden van een gemeenschappelijke taal is een cruciale stap voor een succesvolle samenwerking. Dat geldt niet alleen voor een individuele onderzoeksgroep maar ook voor het hele domein. Weefselengineering is een relatief jonge tak van de wetenschap. Er moeten duidelijke afspraken gemaakt worden over wat de minimale kwaliteitsvereisten zijn en er moeten standaarden afgesproken worden zodat de bekomen resultaten met elkaar vergeleken kunnen worden. Dit proces is volop bezig.

Belangrijke drijvende krachten in dit hele proces zijn de patiënten en de overheid. Patiëntenverenigingen, zoals bijvoorbeeld Bone4Kids [link: www.bone4kids.be], laten steeds vaker van zich horen: van het creëren van maatschappelijke bewustwording voor specifieke medische problematieken tot het werven van fondsen om wetenschappelijk onderzoek te ondersteunen. De overheid kan ook een belangrijke rol spelen. De Vlaamse overheid heeft regeneratieve geneeskunde geïdentificeerd als opkomende technologie in het domein van de gepersonaliseerde geneeskunde. Eén van de concrete resultaten hiervan is de oprichting van het RegMed XB-initiatief (Regenerative Medicine Crossing Borders). Dit is een publiek-private samenwerking tussen universiteiten, bedrijven en patiëtenverenigingen in Vlaanderen en Nederland in het domein van de weefsel engineering. Deze krachtenbundeling zal een belangrijke boost betekenen voor het onderzoek in de komende jaren, waardoor de dag dat een orgaan uit de printer gerold komt, weer een beetje dichterbij is gekomen.

Liesbet Geris is verbonden aan het Onderzoekscentrum voor Skeletale Biologie en Engineering en de afdeling biomechanica van de KU Leuven.