Weefselengineering: hoe wetenschappers lichaamsweefsel laten groeien in het lab
Stel je voor dat een chirurg geen donornier meer nodig heeft, maar in plaats daarvan een nier "kweekt" met de eigen cellen van de patiënt. Dat is in essentie waar weefselengineering (ook wel tissue engineering genoemd) om draait: het combineren van levende cellen, een soort bouwsteiger en de juiste omgevingscondities om functioneel lichaamsweefsel buiten het lichaam te laten groeien, of het bestaande weefsel in het lichaam te helpen herstellen.
Een handige analogie is tuinieren. Een tuinman die een klimplant wil laten groeien, zet een stok of rek neer waarlangs de plant kan groeien, geeft water en voedingsstoffen, en wacht tot de plant zelf de vorm aanneemt die hij wil. Bij weefselengineering is de "stok" een afbreekbaar steigermateriaal (scaffold), de "plant" zijn menselijke cellen, en het "water en voeding" zijn groeifactoren en zuurstof in een gecontroleerde kweekomgeving. Het resultaat kan huid zijn voor een brandwondenpatiënt, kraakbeen voor een versleten knie, of — nog experimenteel — een compleet orgaan.
Wat is het precies?
Weefselengineering steunt meestal op drie ingrediënten: cellen, een scaffold en signalen die de cellen aansturen. De cellen komen idealiter van de patiënt zelf (bijvoorbeeld stamcellen uit beenmerg of vet), zodat het lichaam ze later niet afstoot. Deze cellen worden in het lab vermeerderd tot er genoeg zijn.
De scaffold is een driedimensionaal frame, vaak gemaakt van een biologisch afbreekbaar materiaal zoals collageen of een polymeer. Dit frame geeft de cellen een structuur om zich aan te hechten en in de juiste vorm te groeien. Na implantatie breekt de scaffold langzaam af, terwijl het eigen weefsel van de patiënt de plek inneemt.
Een andere aanpak heet decellularisatie. Hierbij wordt een donororgaan (van een mens of dier) met behulp van reinigingsmiddelen volledig ontdaan van cellen, zodat alleen het "skelet" van bindweefseleiwitten overblijft. Dat skelet wordt daarna opnieuw bevolkt met de eigen cellen van de patiënt, in de hoop een orgaan te krijgen dat niet wordt afgestoten.
Tot slot is er 3D-bioprinten: een techniek waarbij een printer laag voor laag een mengsel van cellen en gel (bio-ink) opbouwt tot een gewenste vorm. Dit gebeurt meestal in een bioreactor, een apparaat dat temperatuur, zuurstof, voedingsstoffen en soms mechanische belasting (zoals de pompbeweging die een hartklep ondervindt) nabootst, zodat het weefsel zich ontwikkelt zoals het in het lichaam zou doen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het wereldwijde tekort aan donororganen. Veel patiënten staan jarenlang op een wachtlijst voor een nier, lever of hart, en een deel van hen overlijdt voordat er een donor beschikbaar is. Als artsen weefsel of organen kunnen kweken uit de eigen cellen van de patiënt, vervalt zowel het wachten als het risico op afstoting door het immuunsysteem.
Een tweede doel is het verbeteren van geneesmiddelenonderzoek. Nieuwe medicijnen worden nu vaak eerst op dieren getest, wat ethisch gevoelig is en niet altijd goed voorspelt hoe een stof bij mensen werkt. Gekweekt menselijk weefsel — soms in de vorm van een "orgaan-op-een-chip" — kan dierproeven deels vervangen en nauwkeurigere voorspellingen geven.
Daarnaast speelt personalisatie een rol: met cellen van een individuele patiënt kunnen onderzoekers een miniversie van diens eigen weefsel kweken (een organoïde) om te testen welk medicijn het beste werkt, voordat de patiënt het daadwerkelijk krijgt. Dit is vooral relevant bij zeldzame genetische aandoeningen en kanker.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraken kwam van Anthony Atala en zijn team aan het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine. In 2006 publiceerden zij in het tijdschrift The Lancet dat zij blazen hadden gekweekt uit de eigen cellen van kinderen met spina bifida (een aangeboren afwijking van de wervelkolom) en deze succesvol hadden geïmplanteerd.
In 2008 lieten onderzoekers Doris Taylor en Harald Ott een ontcelluleerd rattenhart — een zogeheten "ghost heart" — opnieuw begroeien met levende cellen, een mijlpaal voor de decellularisatietechniek.
Niet elk voorbeeld is een succesverhaal. De Italiaanse chirurg Paolo Macchiarini kreeg vanaf 2011 wereldwijde aandacht met synthetische luchtpijpen bekleed met stamcellen. Latere onderzoeken toonden aan dat zijn resultaten gemanipuleerd waren en meerdere patiënten overleden; de publicaties werden ingetrokken. Dit geval wordt in de sector vaak aangehaald als waarschuwing tegen het overhaast toepassen van onbewezen technieken bij mensen.
Minder spectaculair maar wel klinisch bewezen is MACI (matrix-induced autologous chondrocyte implantation), een therapie waarbij eigen kraakbeencellen van een patiënt op een membraan worden gekweekt en terug in een beschadigde knie worden geplaatst. Deze behandeling is in de Verenigde Staten en Europa al jaren goedgekeurd voor klinisch gebruik.
In Nederland werkt bioloog Hans Clevers, verbonden aan het Hubrecht Instituut en het UMC Utrecht, al sinds de jaren 2010 aan organoïden: minuscule, kweekbare versies van organen zoals de darm. Via het HIT-CF-project worden darmorganoïden van taaislijmziekte-patiënten gebruikt om te voorspellen welk medicijn bij hen zal werken.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling verloopt ongelijk: sommige toepassingen zijn al routine, andere blijven voorlopig experimenteel. Gekweekte huid voor brandwondenpatiënten wordt al sinds de jaren tachtig klinisch gebruikt. Kraakbeenreparatie (zoals MACI) en bepaalde blaasreconstructies zijn eveneens in de praktijk toegepast, zij het bij relatief kleine patiëntengroepen.
Complexere, dikkere organen zoals een lever, nier of hart zijn een ander verhaal. Het grootste technische obstakel is vascularisatie: het aanleggen van een fijn netwerk van haarvaten dat zuurstof en voedingsstoffen diep in het weefsel kan brengen. Zonder dat netwerk sterven cellen die verder dan een paar millimeter van een bloedvat liggen. Dit probleem is nog niet opgelost voor grote, dikke organen.
Ook 3D-bioprinten kent beperkingen: de resolutie (hoe fijn details geprint kunnen worden) en de snelheid zijn vaak nog ontoereikend om levende cellen in de juiste dichtheid en structuur te plaatsen voordat ze afsterven. Daarnaast blijven er immunologische vraagtekens, zelfs bij gebruik van eigen cellen, omdat scaffoldmaterialen soms toch een afweerreactie oproepen.
Vanwege deze obstakels schatten onderzoekers dat volledig functionele, transplanteerbare organen zoals nieren of levers nog minstens een decennium, mogelijk langer, op zich laten wachten. Organoïden voor geneesmiddelentests en diagnostiek zijn daarentegen al bruikbaar en worden steeds vaker ingezet.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine een van de oudste en grootste centra op dit gebied. Ook het Wyss Institute van Harvard University en onderzoeksgroepen aan het MIT werken aan orgaan-op-een-chip-technologie en bioprinten.
Nederland heeft een relatief sterke positie: de TU Eindhoven doet, onder meer via hoogleraar Carlijn Bouten, onderzoek naar hartklep- en bloedvatweefsel dat in het lichaam zelf verder kan uitgroeien. Het UMC Utrecht en het Hubrecht Instituut zijn wereldleider op het gebied van organoïden. De Universiteit Twente heeft eveneens een sterke biomaterialen- en regeneratieve-geneeskundegroep.
Op commercieel vlak zijn bedrijven als Organovo (bioprinten van levertissue voor toxiciteitstests), Vericel (producent van MACI) en het Nederlandse/Zwitserse bedrijf Xeltis (groeibare hartkleppen) actief. Japan loopt voorop in stamceltechnologie dankzij het werk van Nobelprijswinnaar Shinya Yamanaka aan de Kyoto University, die geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS-cellen) ontwikkelde. De Europese Unie financiert via Horizon Europe diverse samenwerkingsprojecten op dit gebied, en ook China investeert fors in regeneratieve geneeskunde.