Organen uit de printer

601c
Een nieuwe, op lucht gebaseerde technologie is in de race om in de toekomst organen te printen. Bloedvaten staan bovenaan de agenda. De grote vraag: je kunt iets maken dat lijkt op een bloedvat, maar werkt het ook als een bloedvat?

Donororganen zijn schaars. Bovendien loop je met donorweefsel altijd het risico van afstoting door het lichaam. Liefst zou je een nieuw orgaan kweken van eigen weefsel van de patiënt. En dat is precies waar enkele groepen medische onderzoekers sinds een jaar of vijf aan werken, met enig succes.

Levende cellen, die zich tegenwoordig redelijk goed laten kweken, hebben de neiging om aan elkaar te groeien als je ze op een kluitje legt. Maar voor een orgaan zijn heel veel cellen nodig. Die leg je niet met de hand op hun plek. Zo ontstond het idee om een omgebouwde inkjet printer in te zetten. Die kan immers razendsnel inktdruppels op zijn plaats leggen, dus waarom geen cellen. Velletje biogel eroverheen en dan de volgende printlaag. Op deze manier printte de Amerikaanse hoogleraar Gabor Forgacs drie jaar geleden de eerste bloedvaten (zie hieronder). Althans, geometrisch gesproken waren het bloedvaten, maar ze gedroegen zich nog niet helemaal als zodanig, vertoonden bijvoorbeeld niet het gewenste elektrische gedrag.

De inkjet is echter een nogal grove techniek. Daarom zijn er inmiddels allerlei varianten beproefd, zoals elektrosprayen, waarmee druppels van tien nanometer te maken zijn. Bij elektrosprayen trekt een elektrisch veld minuscule druppeltjes uit een grotere druppel. Alle bestaande technologieën hebben echter een belangrijk nadeel: het elektrische veld beschadigt potentieel de cellen.

Daarom ging een groep Londense onderzoekers op zoek naar een alternatief, waarover ze eind vorige maand publiceerden in het tijdschrift Biomedical Materials. Hun spuitmond werkt niet met elektrische velden, maar met variabele luchtdruk in een klein kamertje. Daarmee blijkt het ook uitstekend mogelijk om een spray van kleine druppels te maken.

De onderzoekers testten hun techniek met een stroperige suspensie van spiercellen uit een varkensslagader. De grootte van de druppels bleek goed te controleren. Ook lijkt het erop dat de cellen het printproces goed doorstaan, al moeten komende proeven nog uitwijzen of er geen celonderdelen beschadigd raken door de vaart waarmee ze de spuitmond verlaten. Volledige zekerheid is pas te geven op het moment dat een compleet orgaan werkend geïmplanteerd wordt. Zo ver is het echter nog lang niet.


Het lijkt op een bloedvat, maar is het ook een bloedvat?

Nee, Gabor Forgacs heeft in zijn laboratorium geen apparaat staan waar op commando een menselijke lever uit komt rollen. ‘Maar het idee is geen science fiction meer’, laat de hoogleraar van de University of Missouri met grote stelligheid weten. Zijn driedimensionale printer kan namelijk al wel bloedvaten printen, waarvan hij denkt dat ze over een jaar of vijf goed genoeg zijn om te kunnen implanteren.

Bloedvat volgens Forgacs

Forgacs’ organenprinter, waarover hij deze maand publiceerde in het gezaghebbende Proceedings of the National Academy of Sciences, bouwt voort op bestaande ontwikkelingen uit de weefseltechnologie, maar dan op een grootschaliger manier dan tot nu toe de gewoonte was.

Het past in een zoektocht om weefsels te maken op basis van cellen van de donor zelf. Dat voorkomt namelijk afstoting van geïmplanteerde organen door het lichaam, een van de grootste problemen bij transplantaties. Momenteel werkt men voornamelijk met embryocellen, omdat die het flexibelste gedrag vertonen en zich dus makkelijker laten manipuleren.

‘In de klassieke weefseltechnologie leg je een aantal cellen op een laagje biovriendelijke gel, die dient als voedingsbodem, zodat een klompje weefsel groeit’, vertelt Forgacs. ‘Dat stukje weefsel kun je dan in het lichaam terugbrengen. Alleen krijg je zo niet een weefsel met een bepaalde vorm. Een oplossing kan zijn dat je een mal vult met gel en cellen, waarna het weefsel de vorm van de mal aanneemt. Dat is met enig succes gedaan.’

Maar dan nog: zeventig procent van het menselijke lichaam bestaat uit weefsels met holle buisjes erin en die maak je niet met een mal. Een beetje orgaan bestaat ook uit verschillende typen cellen, die zich op een bepaalde manier tot elkaar moeten verhouden. Bovendien vraagt ieder type cel om zijn eigen soort gel. Anders krijg je misschien wel een weefsel met de juiste vorm en samenstelling, maar functioneert het niet als orgaan of desintegreert het in het lichaam.

‘Dus wil je gebruik maken van de groeivermogens van de natuur’, vervolgt Forgacs. ‘Daarvoor onderzoek je het genetische systeem en kijk je of je een groepje cellen ertoe kunt aanzetten uit te groeien tot een orgaan. Als je met een paar cellen begint, duurt dat groeiproces echter lang.’

Ziedaar de grondgedachte van Forgacs werk: als het nou zou lukken een flink aantal cellen al ongeveer op de goede plek te leggen, dan kun je het groeiproces misschien halverwege oppikken. Dat gaat veel sneller dan bij collega’s die proberen een orgaan helemaal vanuit een paar embryocellen te kweken.

Forgacs: ‘We zijn begonnen met cellen handmatig in een cirkel neer te leggen op de gelondergrond. Mijn hand was daar niet vast genoeg voor, maar een student van me kon het gelukkig wel, al kostte het veel tijd. Die cellen groeiden keurig aan elkaar tot een ring.’

De volgende stap was om een aantal hele dunne lagen gel met celcirkels boven op elkaar te leggen, zodat niet een ring, maar een buisje ontstond. Het neerleggen van de cellen zou een heidens karwei worden, beseften Forgacs en de zijnen.

‘We realiseerden ons echter dat embryocellen zich gedragen als een vloeibaar materiaal’, zegt de fysicus, die overigens werkte met cellen van de Chinese hamster. ‘Dat betekent dat je ze kunt behandelen als inkt. We zijn toen op zoek gegaan naar een fabrikant die een machine wilde bouwen om de juiste patronen van cellen op laagjes gel te printen. Dat is gelukt.’

Het apparaat mag dan gebaseerd zijn op een ink-jet printer, het ziet er nog wel iets anders uit. De schrijfkop, bestaand uit een aantal injectienaalden bij wijze van spuitmond, beweegt zich boven de horizontaal gelegen gel. De elektronische aansturing zorgt dat de naalden zeer nauwkeurig cellen op hun plek leggen. Wat vroeger uren kostte, lukt nu binnen een minuut. Nieuw laagje gel eroverheen, nieuw patroon cellen printen, enzovoort.

Het resultaat tot nu toe bestaat uit bloedvaten van enkele centimeters lang. Bloedvaten zijn relatief eenvoudig, niet alleen vanwege hun vorm, maar ook omdat ze maar uit twee soorten cellen bestaan, een binnenwand van endotheelcellen en met daaromheen een ring van gladde spiercellen. Forgacs benadrukt dat het er helemaal uitziet als een bloedvat, maar dat betekent niet automatisch dat het ook echt een bloedvat is. Het moet ook werken.

‘We moeten nog proeven doen om te kijken of het bloedvat werkt, bijvoorbeeld door te kijken of het op elektrische signalen precies zo reageert als een echt bloedvat’, legt Forgacs uit. ‘Ons bloedvat scheidt in elk geval wel dezelfde stoffen af als een echt bloedvat. Maar wat we bijvoorbeeld weer niet weten is of het wellicht desintegreert als we het implanteren.’

‘Op zich niet zo schokkend’, zegt prof.dr. Bela Mulder, hoogleraar theoretische celfysica in Wageningen, over Forgacs’ bevindingen tot nu toe. ‘Het is tenslotte een bekend gegeven dat cellen aan elkaar hechten als je ze bij elkaar in de buurt brengt.’ Anders gezegd: met zijn printer past Forgacs vooral bestaande principes op een grotere schaal toe.

Vraagtekens zet Mulder vooral bij Forgacs’ hypothese dat embryocellen zich laten behandelen als vloeistoffen, omdat dat veronderstelt dat de positie van die cellen ten opzichte van elkaar niet zo belangrijk is. Mulder: ‘Daar zou ik voorzichtig mee zijn. Deze groeiprocessen zijn redelijk gecontroleerd. Er wordt veel gestuurd.’

Forgacs zelf is ook voorzichtig met het leggen van harde claims, hoewel hij wel optimistisch blijft: ‘Ik denk dat we over een jaar of vijf functionele weefsels kunnen leveren, maar dan heb ik het niet over ingewikkelde organen, zoals levers. Daarvoor weten we nog niets eens wat de ideale voedingsbodem is, laat staan dat we het ontwerp van het orgaan kennen. Voor bloedvaten weten we dat allebei wel. Daarom vind ik het goed denkbaar dat in de toekomst het slachtoffer van een verkeersongeluk een nieuwe slagader krijgt die geprint is uit zijn eigen cellen.’

‘Maar het zal altijd zo blijven dat na de printstap de natuur nog aan het werk moet om van de losse cellen een werkend orgaan te maken, want ik denk dat we nooit in staat zullen zijn het natuurlijke proces volledig na te bouwen. We kunnen het proces hoogstens temmen.’

Eerder verschenen in Technisch Weekblad 40, 2007 en de Volkskrant 20-3-2004.
Beeld: Gabor Forgacs.