Scaffold: de tijdelijke steiger waarop nieuw lichaamsweefsel groeit
Stel je een bouwsteiger voor: een tijdelijk frame van stalen buizen waarlangs metselaars een muur optrekken. Zodra de muur zichzelf kan dragen, wordt de steiger weer afgebroken en verdwijnt hij. Een scaffold in de geneeskunde werkt volgens hetzelfde principe, maar dan op microscopisch niveau en met levende cellen in plaats van bakstenen. Het is een kunstmatig, poreus frame waarop lichaamscellen kunnen hechten, groeien en zich organiseren tot nieuw weefsel — huid, kraakbeen, een bloedvat of zelfs een orgaan.
Een bekend voorbeeld: begin jaren 2000 kweekten artsen van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in de Verenigde Staten nieuwe blazen voor patiënten met een beschadigde blaas. Ze gebruikten een blaasvormig frame van biologisch afbreekbaar materiaal, brachten daar cellen van de patiënt zelf op aan, en lieten dat geheel in een kweekbak (bioreactor) uitgroeien tot functioneel weefsel voordat het werd geïmplanteerd. Na verloop van tijd loste de scaffold vanzelf op en bleef alleen het lichaamseigen weefsel over. Dit soort technologie valt onder het bredere veld tissue engineering (weefselconstructie), onderdeel van de regeneratieve geneeskunde.
Wat is het precies?
Het maken en gebruiken van een scaffold verloopt in een aantal stappen. Eerst kiezen onderzoekers een geschikt materiaal. Dat kan een natuurlijk eiwit zijn, zoals collageen (het bindweefseleiwit dat ook in huid en pezen zit) of alginaat (gewonnen uit zeewier). Het kan ook een synthetische, biologisch afbreekbare kunststof zijn, zoals PLGA of PCL — polymeren die in het lichaam langzaam afbreken tot onschadelijke stoffen als melkzuur.
Vervolgens wordt van dat materiaal een driedimensionale structuur gemaakt met de juiste vorm en, cruciaal, de juiste porositeit: een netwerk van kleine holtes en kanaaltjes waar cellen doorheen kunnen groeien en waar later bloedvaten kunnen binnendringen. Deze structuren worden gemaakt met technieken als 3D-printen (ook wel bioprinten wanneer cellen direct worden meegeprint), elektrospinnen (waarbij ultradunne vezeltjes worden gesponnen tot een matje) of vriesdrogen.
Daarna wordt de scaffold ‘gezaaid’ met levende cellen — idealiter cellen van de patiënt zelf, of stamcellen die zich nog tot het gewenste celtype kunnen ontwikkelen. Dit geheel rijpt vervolgens in een bioreactor: een apparaat dat voedingsstoffen, zuurstof en soms mechanische prikkels (zoals rek of druk, belangrijk voor bijvoorbeeld hartkleppen) toedient, zodat de cellen zich gedragen zoals ze dat in het lichaam ook zouden doen. Tot slot wordt het gerijpte weefsel geïmplanteerd, waarna de scaffold in het lichaam zelf verder afbreekt en plaatsmaakt voor blijvend, lichaamseigen weefsel.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het tekort aan donororganen. Wereldwijd staan mensen jarenlang op wachtlijsten voor een nier, lever of hart, en velen overlijden voordat er een donor beschikbaar is. Als artsen weefsel of organen zouden kunnen laten groeien op maat van de patiënt, zou dat tekort in theorie kunnen verdwijnen.
Een tweede doel is het voorkomen van afstoting. Bij een transplantatie van een donororgaan moet het immuunsysteem van de ontvanger levenslang worden onderdrukt met medicijnen, met alle bijwerkingen van dien. Als het nieuwe weefsel is opgebouwd uit de eigen cellen van de patiënt, herkent het lichaam dat weefsel als ‘eigen’ en is die onderdrukking veel minder of niet nodig.
Daarnaast hoopt men op weefsel dat meegroeit met de patiënt — belangrijk bij kinderen, voor wie een star, niet-groeiend implantaat na een paar jaar vervangen moet worden. En scaffold-gebaseerd weefsel wordt ook gebruikt buiten de kliniek: als testmodel om nieuwe medicijnen op menselijk weefsel te testen, zonder dat daar dierproeven of patiënten voor nodig zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten laat zien hoe divers het veld is:
- Gekweekte blazen (Wake Forest, VS, resultaten gepubliceerd in 2006): het team van uroloog Anthony Atala plaatste bij een aantal patiënten met een beschadigde blaas een op maat gemaakte scaffold, bekleed met eigen cellen van de patiënt. Dit geldt als een van de eerste gevallen waarin een op een scaffold gekweekt orgaanonderdeel daadwerkelijk in mensen werd geïmplanteerd.
- 3D-geprint oor (Cornell University, VS, rond 2013): onderzoekers printten een oorvormige scaffold van collageen, gezaaid met kraakbeencellen, als proof-of-concept voor reconstructieve chirurgie bij mensen die zonder (volledig) oor geboren zijn of een oor hebben verloren.
- Resorbeerbare hartklep- en bloedvatimplantaten (Xeltis, met vestigingen in Eindhoven en Zürich): dit bedrijf ontwikkelt synthetische, poreuze polymeerbuisjes die als hartklep of bloedvat functioneren en die het lichaam geleidelijk vervangt door eigen weefsel — een aanpak die het bedrijf ‘endogenous tissue restoration’ noemt. De technologie wordt in klinische studies getest, onder meer bij kinderen met aangeboren hartafwijkingen.
- Bioprinted leverweefsel (Organovo, VS): dit bedrijf printte laagjes menselijk leverweefsel voor gebruik in laboratoriumtests, zodat farmaceutische bedrijven de effecten en toxiciteit van nieuwe medicijnen op echt (mini-)leverweefsel kunnen testen in plaats van alleen op platte celkweken.
- Plantaardig collageen als scaffold-materiaal (CollPlant, Israël): dit bedrijf produceert menselijk collageen met behulp van genetisch aangepaste tabaksplanten, en gebruikt dat als grondstof voor bioinkt en scaffolds, onder meer onderzocht voor borstreconstructie na kanker.
Hoe ver is de techniek?
De stand van zaken verschilt sterk per type weefsel. Relatief eenvoudige, dunne of weinig doorbloede weefsels zijn het verst: gekweekte huid wordt al decennia klinisch gebruikt bij ernstige brandwonden, en scaffold-gebaseerde blaas-, kraakbeen- en bloedvatreconstructies zijn bij kleine aantallen patiënten toegepast, vaak nog in de vorm van klinische studies.
Complexere, sterk doorbloede organen zoals een nier, lever of hart zijn nog altijd niet haalbaar buiten het laboratorium. Het grootste obstakel is vascularisatie: het aanleggen van een fijnmazig netwerk van bloedvaatjes tot in de kleinste haarvaten, zonder welke weefsel dikker dan een paar millimeter afsterft door zuurstoftekort. Ook het aansluiten op zenuwen, het voorkomen van littekenvorming in plaats van functioneel weefsel, en het opschalen van laboratoriumprocedures naar betrouwbare, betaalbare behandelingen zijn nog grotendeels onopgeloste problemen.
Het tempo van vooruitgang is daardoor geleidelijk in plaats van sprongsgewijs: sinds de eerste gekweekte blazen begin deze eeuw zijn er wel steeds geavanceerdere scaffolds en meer klinische studies bijgekomen, maar een compleet, functioneel, op een scaffold gekweekt hart of nier voor transplantatie bij mensen bestaat nog niet en wordt door onderzoekers ook niet op de korte termijn verwacht.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine een van de oudste en meest toonaangevende centra, samen met onderzoeksgroepen aan onder meer Harvard (Wyss Institute) en MIT. In Nederland doet de Technische Universiteit Eindhoven, met name de onderzoeksgroep van hoogleraar Carlijn Bouten, gerenommeerd werk aan cardiovasculaire scaffolds en zogeheten in-situ tissue engineering, waarbij het lichaam zelf als bioreactor fungeert. Universitaire ziekenhuizen zoals het Erasmus MC en het UMC Utrecht zijn betrokken bij de klinische vertaling van dit onderzoek.
Op bedrijfsniveau combineert Xeltis Nederlandse en Zwitserse expertise in resorbeerbare implantaten, terwijl Amerikaanse en Israëlische bedrijven als Organovo en CollPlant zich richten op bioprinten en collageenproductie. Financiering komt voor een belangrijk deel van publieke onderzoeksfondsen zoals de Amerikaanse National Institutes of Health en Europese Horizon-programma's, aangevuld met durfkapitaal voor de meer commerciële toepassingen.