Je leest:

3D-bioprinten

3D-bioprinten

Auteurs: , en | 22 juni 2016
Shutterstock

De afgelopen jaren zijn er grote stappen gemaakt in de biomedische wetenschappen op het gebied van regeneratieve geneeskunde en tissue-engineering. Dit is een relatief nieuw veld binnen de (bio)medische wereld waarin wordt getracht nieuw weefsel te regenereren door het lichaam een handje te helpen door middel van het toedienen of stimuleren van cellen. Het doel hierbij is om het originele weefsel te herstellen qua vorm en functie. Dit is een uitdagende taak omdat weefsels op microschaal over het algemeen een complexe architectuur hebben die lastig met de hand na te bootsen is.

Met de opkomst van het driedimensionale (3D-)printen biedt zich een uiterst opwindende mogelijkheid aan. Met deze techniek kunnen verschillende materialen laag-voor-laag zeer nauwkeurig op specifieke locaties neergelegd worden, waardoor complexe vormen met gedetailleerde organisaties gemaakt kunnen worden. Er wordt al gebruikgemaakt van 3D-printen in bijvoorbeeld de voedsel- en mode-industrie, en ook binnen de geneeskunde wordt deze techniek in toenemende mate toegepast. Enkele voorbeelden zijn op maat geprinte zaagmallen voor orthopedische chirurgie, plastic schedelimplantaten of fixatiemallen.

De 3D-bioprinter beschikt over meerdere cartridges waarmee verschillende materialen, zoals een thermoplastisch polymeer en hydrogels met cellen, geprint kunnen worden. Deze materialen worden laag-voor-laag neergelegd in een vooraf bepaald patroon.
Biofabrication, Biowetenschappen en maatschappij

Het 3D-printen draagt in hoge mate bij aan het zogenaamde personalized medicine-concept, waarbij medische beslissingen, behandelingen en producten specifiek op de individuele patiënt worden afgestemd. Gebruikmakend van bijvoorbeeld een MRI- of CT-scan kan een patiëntspecifiek 3D-model geconstrueerd worden, dat kan worden vertaald naar een speciale printertaal. Dit is een code waarin exact vermeld wordt welk materiaal op welke positie binnen het construct geplaatst moet worden. De printer zal vervolgens het construct laag voor laag opbouwen. De betrouwbaarheid van de plaatsing van materialen met 3D-printen is hoog en daardoor kunnen hoogwaardige patiëntspecifieke constructen gefabriceerd worden.

Printen met levende cellen

Bioprinten gaat nog een stapje verder. Het is gebaseerd op hetzelfde principe van laagsgewijs opbouwen van een construct waarbij verschillende materialen in precieze geometrieën geplaatst kunnen worden, maar heeft daarbij als extra uitdaging dat het gebruikmaakt van biologische materialen. Zoals in tissue-engineering gebruikelijk is, combineert ook het bioprinten levende cellen met biologisch afbreekbare materialen en bioactieve signalen. Deze combinatie zorgt voor een stimulerende en sterke omgeving voor de cellen om zich te ontwikkelen tot een volwaardig weefsel. Het 3D-bioprinten van deze gecombineerde (bio)materialen heeft als voordeel dat het de interne vormgeving van zo’n hybride construct volledig kan bepalen.

Net zoals bij tweedimensionaal (2D) printen op papier is voor 3D-printen een inkt vereist. Hoewel veel (synthetische) materialen in een stroperige vorm door de printer gedeponeerd kunnen worden, kunnen levende cellen niet zomaar in een cartridge worden gestopt en vervolgens geprint. Cellen moeten daarom worden ingebed in een dragermateriaal om zo een bioinkt te vormen. Het dragermateriaal moet voor voldoende viscositeit zorgen zodat de bioinkt printbaar is, maar moet tevens waterig genoeg zijn om een leefbare omgeving te bieden voor de cellen. Er wordt veel onderzoek gedaan naar de ideale bioinkt, die doorgaans gebaseerd is op een hydrogel: een polymeer dat veel water kan vasthouden. Er is namelijk een groot verschil tussen de ideale inkt als omgeving voor cellen en de ideale inkt om te printen. Vervolgens moet het geprinte construct zijn vorm behouden en niet wegvloeien. Het compromis tussen deze twee uitersten wordt het biofabrication window genoemd, maar ontneemt dus eigenschappen van zowel de ideale celomgeving als de ideale printbaarheid. De ideale hydrogel voor 3D-bioprinten heeft zowel de biologische eigenschappen om cellen te ondersteunen en stimuleren, als ook de mechanische eigenschappen om het geprinte construct zijn vorm te laten behouden.

Een voorbeeld van een 3D-geprint hybride construct met twee verschillende hydrogels en een polymeer: het distale femur (dijbeen) met een benig (wit/bruin) en een kraakbenig (groen) gedeelte. Op de doorsnede is goed te zien hoe de verschillende materialen in een rooster zijn geprint.
Biofabrication, Biowetenschappen en maatschappij
Biofabrication, Biowetenschappen en maatschappij

Tot nu toe is het mogelijk om met tissue-engineering kleine stukjes weefsel te genereren. Bioprinten draagt bij aan het kunnen maken van grotere, ingewikkeldere constructen, maar wordt beperkt door de hoeveelheid cellen die beschikbaar zijn. Om een stukje nieuw weefsel te maken zijn grote aantallen patiënteigen weefselspecifieke cellen nodig. Daaraan bestaat vaak een tekort omdat deze geoogst moeten worden uit gezond weefsel. Gezien de potentie van stamcellen om zich te ontwikkelen tot verschillende weefsels en de relatief makkelijkere oogstbaarheid, lijken stamcellen een veelbelovend alternatief.

Ondanks dat er nog een aantal belangrijke uitdagingen zijn binnen bioprinten voor tissue-engineering, waaronder vormbehoud en de celbron, staat het buiten kijf dat het veld veelbelovend is voor de toekomst van de moderne geneeskunde. Het kunnen regenereren van nieuwe stukjes weefsel, specifiek gemaakt van en voor de individuele patiënt, biedt mogelijkheden voor hoogwaardige, innovatieve en persoonlijkere behandelingen in de zorg.

Wat is er beter dan eigen navelstrengbloed?

Beenmerg is een van de rijkste bronnen van volwassen stamcellen. Daarin bevinden zich naast de bloedvormende stamcellen ook stamcellen die kunnen uitgroeien tot onder andere kraakbeen-, bot-, skeletspier- en peescellen. Vlak na de geboorte bevindt een groot deel van die beenmergstamcellen zich ook in de placenta, in het bloed in de navelstreng, en in het weefsel van de navelstreng zelf.

Die kennis is door ‘stamcelcowboys’ gecombineerd met allerlei nonsens-claims dat beenmergstamcellen zo ongeveer de bron van de eeuwige jeugd vormen en kunnen worden ingespoten ter herstel van alles wat in het lichaam kapot kan gaan (van hartinfarcten tot dwarslaesies, ALS, Parkinson en impotentie aan toe). Dat heeft ervoor gezorgd dat er een aantal private centra zijn ontstaan waar men tegen betaling van een aanzienlijk bedrag stamcellen uit de navelstreng van de pasgeborene kan opslaan voor ‘eigen gebruik’. Er zijn al niet-commerciële weefselbanken voor dat doel, waar een groot aantal weefselgetypeerde stamcellen zijn opgeslagen, maar wat is er beter dan je eigen stamcellen? De aanbiedingen van die private centra hebben zelfs een korte tijd deel uitgemaakt van de ‘blije doos’ die zwangere vrouwen aangeboden kregen in verloskundige praktijken. Gelukkig is dat gestopt.

Navelstreng met navelklem, vlak na de geboorte.

Imageselect, Biowetenschappen en maatschappij

Maar waarom zo cynisch? Als die stamcellen dan niet in staat zijn tot het genezen van allerlei aandoeningen, dan vormen ze toch een prachtige reservebron voor het kind zelf? Ook dat is maar de vraag. Afgezien van het feit dat de kans dat het kind de cellen ooit nodig heeft erg klein is, zijn er de volgende overwegingen:

  • Als het kind een genetische afwijking heeft die een beenmergtransplantatie nodig maakt, dan zit die genetische afwijking ook in de eigen stamcellen.
  • Vaak bevat de navelstreng niet genoeg cellen voor een transplantatie.
  • In de praktijk blijkt een transplantatie met ‘vreemd’ (allogeen) beenmerg vaak tot betere resultaten te leiden dan met eigen (autoloog) beenmerg, omdat allogeen beenmerg vaak de nog achtergebleven leukemische cellen vernietigt.
  • Het is essentieel dat de cellen op een steriele manier worden geprepareerd en opgeslagen. Geen enkel ziekenhuis zal stamcellen accepteren voor transplantatie als die afkomstig zijn uit een onderneming die niet GLP (Good Laboratory Practice) is gecertificeerd.

Dit alles neemt niet weg dat het wél een goed idee is om navelstreng-stamcellen op te slaan in officiële, niet private stamcelbanken, om zodoende een rijke ‘bibliotheek’ van weefsel-getypeerde stamcellen op te bouwen, waar patiënten die ze echt nodig hebben uit kunnen putten.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, en hoort bij het thema Ziekten genezen op Biotechnologie.nl.
© Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 juni 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.