Je leest:

Bot is sterk én slim

Bot is sterk én slim Interne structuur van bot past zich doorlopend aan in reactie op mechanische belasting

Auteur:

Botcellen doen niet zomaar wat. Ze tasten hun omgeving nauwkeurig af en gebruiken die informatie om te bepalen wat ze moeten doen. Ook reageren ze op krachten en invloeden van buitenaf. “Bot is pas echt een smart material”, vindt professor Keita Ito van de Technische Universiteit Eindhoven. Daar kweken ze mini-botjes om het gedrag van de botcellen te bestuderen.

Er zijn veel onderdelen van ons lichaam die fascinatie oproepen. Het oog bijvoorbeeld of het afweersysteem of anders in ieder geval de hersenen. Botten duiken eigenlijk nooit op in zo’n rijtje. Onterecht, vinden Sandra Hofmann en Keita Ito van de Technische Universiteit Eindhoven. Voor hen is bot juist een van de meest fascinerende materialen in ons lichaam en daarbuiten.

Keita ito met dijbeenbot
Keita Ito met menselijk dijbeenbot. “Zoals je kunt zien was de eigenaar van dit bot net iets langer dan ik.”
Esther Thole voor NEMO Kennislink

Ze begrijpen wel dat bot zo weinig indruk maakt. “Als je naar ons lichaam kijkt met de blik van een ingenieur, dan is bot niet meer dan het materiaal dat zorgt voor stevigheid en ondersteuning”, zegt Keita Ito, hoogleraar Orthopedische Biomechanica. “Onze botten geven ons lichaam vorm en zorgen ervoor dat het kan functioneren. In dat opzicht is bot vergelijkbaar met levenloze, zware materialen als staal en beton. Maar wat bot zo bijzonder maakt is dat het tegelijkertijd heel sterk en heel licht is.”

Om zijn punt kracht bij te zetten loopt Ito naar een kastje in de hoek van zijn kantoor en tovert een heus menselijk dijbeenbot tevoorschijn. “Til het maar eens op”, moedigt hij aan. Het voelt bijna onwerkelijk, zo licht is het. En dit is het grootste bot dat we in ons lichaam hebben. Een vreemde gewaarwording.

Doolhof

Hoe kan iets wat zo licht is ook zo sterk zijn? Het antwoord zit verstopt aan de binnenkant. Sandra Hofmann, gespecialiseerd in het kweken van botweefsel en universitair docent in de groep van professor Ito, laat een foto van een doorsnede van een dijbeenbot zien. Wat opvalt is dat het bot niet massief is. De binnenkant lijkt meer op een miniatuurdoolhof: allemaal kleine ruimtes en gangen in verschillende vormen.

Het ziet er op het eerste gezicht nogal chaotisch uit, geeft Hofmann toe. “Maar als je beter kijkt zie je dat het een zeer geordende structuur is. De oriëntatie van de lijnen in het ‘doolhof’ en de afstand ertussen variëren afhankelijk van de belasting en druk die het bot moet weerstaan.” Aan de bovenkant van het dijbeenbot, richting de heup, zie je de lijnen dichter op elkaar liggen en wat afbuigen in horizontale richting. Dat is omdat hier veel druk op komt. Ito: “Bot reageert op mechanische belasting. Door de interne structuur aan te passen kan bot inspelen op veranderende mechanische behoeften, zonder dat er meer massa nodig is. Als je zoekt naar slimme materialen, dan heb je aan bot een uitstekend voorbeeld.”

Nemo kennislink
Doorsnede van de bovenkant van een menselijk dijbeenbot.
Sandra Hofmann TUe, met toestemming

Deze adaptieve, ‘slimme’ eigenschappen dankt bot aan de verschillende cellen waaruit het is opgebouwd. Er is namelijk niet één type botcel, het zijn er drie. De bekendste zijn de osteoblasten of botvormende cellen. Zij bouwen de structuur van bot en zorgen dat het mineraal calciumfosfaat (het ‘kalk’ van je botten) hierin harde kristallen kan vormen. Dit proces heet mineraliseren en zorgt voor de hardheid van bot. Het tweede type botcel zijn de osteoclasten. Deze cellen doen precies het tegenovergestelde: ze lossen de harde calciumfosfaatkristallen weer op en breken zo het bot af.

Opbouwen en weer afbreken

Het zal duidelijk zijn dat een strikte regulering van de activiteit van de botvormende en botafbrekende cellen cruciaal is. Neemt een van de twee de overhand, dan loopt het fout. Of er ontstaan te ver doorgegroeide botten of juist te zwakke botten. Dat brengt ons bij het derde type botcel, de osteocyten. Dit zijn ook de meest mysterieuze botcellen, waar we nog het minst van weten. “Osteocyten zijn heel intrigerend”, legt Ito uit. “Ze beginnen als osteoblasten, de botvormende cellen, maar terwijl ze het botweefsel opbouwen raken ze gaandeweg zelf ingebouwd in het weefsel.” Op dat moment veranderen ze in een nieuwe type cel: de osteocyten. Deze fungeren als communicatiecellen: ze kunnen signalen opvangen en doorgeven aan andere cellen. Ito: “Hoe ze dat precies doen, weten we nog niet, maar we weten dat ze lange uitlopers ontwikkelen waarmee ze door de poreuze matrix heen naburige osteocyten kunnen aanraken.”

Rhp bio week35
Gezond botweefsel heeft een sponsachtige structuur waarin de activiteit van de drie typen botcellen precies in balans is.

Alle bijzondere eigenschappen van bot komen voort uit de communicatie tussen de drie soorten botcellen. Ito en Hofmann proberen dit netwerk te ontrafelen. “Onze belangrijkste vraag is hoe we de regeneratieve kracht van bot kunnen stimuleren”, aldus Hofmann. “We weten dat bot een van de weinige weefsels in het lichaam is dat zich compleet kan vernieuwen. Het potentieel is er dus. We weten ook dat nieuw bot het best groeit tegen oud bot aan. Maar we weten niet waarom dat zo is.” Daarom kweekt Hofmann mini-botjes in het lab. Niet als klassieke weefselkweek waarbij je cellen in een plat vlak laat groeien, maar een stukje bot dat in 3D groeit.

Steigers van zijde

Ze gebruikt hiervoor eiwitten, silk fibroins, waarmee zijderupsen hun cocon maken. Deze zijde-eiwitten fungeren als een soort steiger, die houvast biedt voor de botvormende cellen om te beginnen met opbouwen van echt botweefsel. Om te onderzoeken hoe de cellen reageren op hun omgeving en vooral wat de invloed van mechanische belasting is, stelt Hofmann de mini-botjes bloot aan verschillende krachten. Bijvoorbeeld door vloeistof door het midden van de eiwit-steiger te laten stromen. “Als je dat doet creëer je afschuifkrachten. De cellen worden door de stroming van de steiger afgetrokken, waardoor we hun reactie daarop kunnen bestuderen”, vertelt Hofmann.

Gekweekt minibot hofmann tue
Een mini-botje gekweekt uit menselijke mesenchymale stamcellen op een drager van zijde-eiwitten.
Sandra Hofmann TUe, met toestemming

“We hebben gezien als de stroomsnelheid laag is, de cellen er weinig last van hebben. Ze gaan vooral groeien en delen. Maar als die snelheid hoog is en ze moeite moeten doen om te blijven zitten, gaan ze juist mineraliseren zodat het botweefsel uithardt. De cellen merken dus duidelijk wat er in hun omgeving gebeurt en reageren daarop.” Uit andere experimenten weet Hofmann dat osteoblasten ook kunnen ‘voelen’ hoe hard hun omgeving is. “We zien dat als osteoblasten zich op een oppervlak hechten, dat ze dan met een soort ‘handjes’ aan dat oppervlak gaan trekken. En hoe stijver dat oppervlak, hoe beter ze hechten en groeien.”

Medicijnen testen

Hofmann gebruikt al deze inzichten in het gedrag van osteoblasten om steeds beter het natuurlijke botweefsel na te bootsen in het lab. Kun je op deze manier ook botweefsel kweken om botschade bij mensen te herstellen? “Dat was ooit wel de gedachte”, zegt Hofmann, “maar het kweken van botweefsel is technisch moeilijk en heel tijdrovend. Voordat je een stukje bot van enig formaat hebt, ben je zo maanden verder en dat werkt niet voor een klinische toepassing. Ons onderzoek zal eerder aanknopingspunten opleveren voor het stimuleren van het botherstel in het lichaam, als we beter begrijpen hoe dat proces verloopt.”

Een praktische toepassing van de mini-botjes ziet ze meer in de richting van personalized medicine, geneeskunde op maat. “Als we botcellen van een patiënt gebruiken krijgen we een persoonlijk mini-botje. Dat kun je misschien gebruiken om het effect van medicijnen te testen, voordat je die toedient aan de patiënt. Hopelijk vind je dan sneller de beste behandeling. Dit zie ik als de eerste praktische toepassing van gekweekt botweefsel.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde Kennislink op 09 maart 2017

Discussier mee

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE