ABOVE: © ISTOCK.COM, DEVRIMB
Al jaren voorspellen wetenschappers dat 3D-printen – dat wordt gebruikt om speelgoed, huizen en wetenschappelijke instrumenten te maken en zelfs een plastic konijntje dat een DNA-code bevat voor zijn eigen replicatie – op een dag zou kunnen worden ingezet om levende, menselijke lichaamsdelen te printen om een tekort aan donororganen op te vangen. Tot dusver hebben onderzoekers ook 3D-printen gebruikt in de geneeskunde en tandheelkunde om tandheelkundige implantaten, protheses en modellen voor chirurgen te maken om op te oefenen voordat ze in een patiënt snijden. Maar veel onderzoekers zijn verder gegaan dan het printen met kunststoffen en metalen – het printen met cellen die vervolgens levend menselijk weefsel vormen.
Nog niemand heeft volledig functionele, transplanteerbare menselijke organen geprint, maar wetenschappers komen steeds dichterbij, door stukjes weefsel te maken die kunnen worden gebruikt om medicijnen te testen en methoden te ontwerpen om de uitdagingen van het herscheppen van de complexe biologie van het lichaam het hoofd te bieden.
Eerste stappen
De eerste 3D-printer werd aan het eind van de jaren tachtig ontwikkeld. Hij kon kleine voorwerpen printen die waren ontworpen met behulp van computer-aided design (CAD) software. Een ontwerp wordt virtueel gesneden in lagen van slechts drieduizendste millimeter dik.
Er zijn twee hoofdstrategieën die een printer kan gebruiken om het patroon te maken: hij kan een pasta door een zeer fijne punt persen, waarbij hij het ontwerp vanaf de onderste laag naar boven drukt, waarbij elke laag wordt ondersteund door de vorige lagen. Een andere mogelijkheid is om te beginnen met een container gevuld met hars en een puntlaser te gebruiken om delen van die hars te verharden en zo een massief object van boven naar beneden te maken, dat wordt opgetild en uit de omringende hars wordt verwijderd.
Wanneer het gaat om het printen van cellen en biomaterialen om replica’s van lichaamsdelen en organen te maken, gelden dezelfde twee strategieën, maar om op deze manier met biologische materialen te kunnen werken was de inbreng nodig van celbiologen, ingenieurs, ontwikkelingsbiologen, materiaalwetenschappers en anderen.
Tot nu toe hebben wetenschappers mini-organoïden en microfluïdische modellen van weefsels geprint, ook wel bekend als organen op chips. Beide hebben praktische en theoretische inzichten opgeleverd in de werking van het menselijk lichaam. Sommige van deze modellen worden door farmaceutische bedrijven gebruikt om geneesmiddelen te testen alvorens over te gaan tot dierstudies en uiteindelijk klinische proeven. Eén groep heeft bijvoorbeeld hartcellen op een chip geprint en aangesloten op een bioreactor alvorens deze te gebruiken om de harttoxiciteit van een bekend kankermedicijn, doxorubicine, te testen. Het team toonde aan dat de klopsnelheid van de cellen drastisch afnam na blootstelling aan het geneesmiddel.
Wetenschappers moeten echter nog organen bouwen die de talloze structurele kenmerken en functies van menselijke weefsels werkelijk nabootsen. “Er zijn een aantal bedrijven die proberen dingen te doen zoals 3D-geprinte oren,” en onderzoekers hebben al melding gemaakt van het transplanteren van 3D-geprinte oren bij kinderen met geboorteafwijkingen waardoor hun oren onderontwikkeld waren, merkt Robby Bowles op, een bio-ingenieur aan de Universiteit van Utah. De oortransplantaties zijn volgens hem “een soort eerste proof of concept van 3D-printen voor de geneeskunde.”
Zie volledige titel
Bowles voegt hieraan toe dat onderzoekers nog “ver verwijderd” zijn van het printen van meer complexe weefsels en organen die in levende organismen getransplanteerd kunnen worden. Maar voor veel wetenschappers is dat nu juist het doel. In februari 2020 wachtten meer dan 112.000 mensen in de VS op een orgaantransplantatie, volgens het United Network for Organ Sharing. Ongeveer 20 van hen sterven elke dag.
Voor vele jaren hebben biologische ingenieurs geprobeerd om 3-D steigers te bouwen die ze konden bezaaien met stamcellen die uiteindelijk zouden differentiëren en uitgroeien tot de vormen van organen, maar “voor een groot deel laten die technieken je niet toe om een soort van organisatie van gradiënten en het patroon dat in het weefsel zit in te voeren,” zegt Bowles. “Er is geen controle over waar de cellen heen gaan in dat weefsel.” Met 3D-printen daarentegen kunnen onderzoekers de plaatsing van cellen heel precies sturen – een prestatie die zou kunnen leiden tot een betere controle over de ontwikkeling van organen.
Differentiatie
In het ideale geval zouden 3D-geprinte organen worden gemaakt van cellen die het immuunsysteem van een patiënt als zijn eigen cellen kan herkennen, om te voorkomen dat het immuunsysteem wordt afgestoten en de patiënt immunosuppressieve medicijnen moet slikken. Dergelijke organen kunnen mogelijk worden gemaakt van patiëntspecifieke geïnduceerde pluripotente stamcellen, maar een van de uitdagingen is om de cellen te laten differentiëren in het subtype volwassen cel dat nodig is om een bepaald orgaan te bouwen. “De moeilijkheid is om complexe patronen van cellen en biomaterialen samen te produceren om verschillende functies van de verschillende weefsels en organen te produceren,” zegt Bowles.
Om de patronen na te bootsen die in vivo te zien zijn, printen wetenschappers cellen in hydrogels of andere omgevingen met moleculaire signalen en gradiënten die zijn ontworpen om de cellen te verleiden zich te organiseren in levensechte organen. Wetenschappers kunnen ook 3D-printen gebruiken om deze hydrogels te bouwen. Met andere technieken “zijn de bereikte patronen typisch tweedimensionaal,” vertelt Eben Alsberg, een bio-ingenieur aan de Universiteit van Illinois, in een e-mail aan The Scientist. “Driedimensionale bioprinting maakt veel meer controle mogelijk over de presentatie van signalen in 3D.”
Tot nu toe hebben onderzoekers stukjes weefsel gemaakt die delen van bepaalde organen nabootsen, maar het is nog niet gelukt om de complexiteit of celdichtheid van een volledig orgaan na te bootsen. Maar het is mogelijk dat bij sommige patiënten zelfs een patch een effectieve behandeling zou zijn. Eind 2016 kondigde een bedrijf genaamd Organovo de start aan van een programma om 3D-geprint leverweefsel te ontwikkelen voor menselijke transplantaties, nadat een studie had aangetoond dat getransplanteerde patches van 3D-geprinte levercellen met succes werden geënt in een muismodel van een genetische leverziekte en verschillende biomarkers stimuleerden die wezen op een verbetering van de leverfunctie.
Vasculatuur
Alleen in de afgelopen paar jaar zijn onderzoekers begonnen vooruitgang te boeken met een van de grootste uitdagingen bij het printen van 3D-organen: het creëren van vasculatuur. Nadat de patches in de Organovo-studie in de lever van de muis waren geënt, werd er bloed naartoe geleid door het omringende leverweefsel, maar een volledig orgaan zou moeten worden voorbereid op de bloedstroom.
“Om cellen in leven te houden, is die bloedtoevoer nodig, dus het kan niet zomaar een enorm stuk weefsel zijn,” zegt Courtney Gegg, een senior directeur van tissue engineering bij Prellis Biologics, dat scaffolds maakt en verkoopt om 3D-geprint weefsel te ondersteunen. “Dat is erkend als een van de belangrijkste problemen.”
Mark Skylar-Scott, een bio-ingenieur aan het Wyss Institute, zegt dat het probleem “weefselmanipulatie decennialang heeft tegengehouden.” Maar in 2018 slaagden Sébastian Uzel, Skylar-Scott en een team van het Wyss Institute erin om een piepklein, kloppend hartventrikel te 3D-printen, compleet met bloedvaten. Een paar dagen na het printen van het weefsel, zegt Uzel dat hij in het lab kwam om een stukje stotterend weefsel aan te treffen, wat zowel “heel angstaanjagend als opwindend” was.”
Voor elke cel om in leven te blijven, is die bloedtoevoer nodig, dus het kan niet alleen dit enorme brok weefsel zijn.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
In plaats van de aderen in lagen te printen, gebruikte het team embedded printing-een techniek waarbij, in plaats van vanaf de bodem van een dia naar boven te bouwen, materiaal direct in een bad, of matrix, wordt geëxtrudeerd. Deze strategie, die de onderzoekers in staat stelt “vrije vorm in 3D” te printen, aldus Skylar-Scott, in plaats van elke laag boven op elkaar te moeten printen om de structuur te ondersteunen, is een efficiëntere manier om een vasculaire boom te printen. De matrix in dit geval was het celmateriaal waaruit de hartkamer was opgebouwd. Een gelatine-achtige inkt duwde deze cellen voorzichtig uit de weg om een netwerk van kanalen te creëren. Zodra het printen klaar was, werd de combinatie opgewarmd. Deze warmte zorgde ervoor dat de cellulaire matrix stolde, maar de gelatine vloeibaar werd, zodat deze kon worden uitgespoeld en er ruimte overbleef voor het bloed om door te stromen.
Maar dat betekent niet dat het probleem helemaal is opgelost. Het ventrikel van het Wyss Institute team had bloedvaten, maar lang niet zoveel als een hart op ware grootte. Gegg wijst erop dat om de menselijke biologie echt na te bootsen, “een individuele cel zich binnen 200 micron van de dichtstbijzijnde bloedtoevoer moet bevinden. . . . Alles moet heel, heel dichtbij zijn.” Dat is veel ingewikkelder dan wat onderzoekers tot nu toe hebben geprint.
Door de problemen met het toevoegen van vasculatuur en vele andere uitdagingen waar 3D-geprinte weefsels nog mee te maken hebben, zullen in het laboratorium gebouwde organen niet snel beschikbaar zijn voor transplantatie. In de tussentijd helpt het 3D-printen van delen van weefsel om zowel fundamenteel als klinisch onderzoek naar het menselijk lichaam te versnellen.
Emma Yasinski is een in Florida gevestigde freelance verslaggever. Volg haar op Twitter @EmmaYas24.