Het Amerikaanse Wake Forest Institute for Regenerative Medicine heeft na tien jaar sleutelen aan een speciale 3D-printer nu hoopgevende resultaten geboekt. Met het apparaat printen ze stevige constructies waarin menselijke cellen zijn gezaaid. Doordat die structuren een netwerk van smalle kanaaltjes bevatten, kunnen zuurstof en voedingsstoffen de cellen bereiken. Het team bracht geprint kraakbeen, spierweefsel en bot in bij proefdieren en daar bleek het weefsel te gaan groeien.


Techneuten en biomedisch onderzoekers werken al jarenlang aan 3D-printers die menselijk weefsel kunnen namaken. De belofte hiervan is dat deze techniek straks het tekort aan donororganen en -weefsel deels kan oplossen. Neem een patiënt die door een vreselijk ongeluk een deel van de schedel kwijt is, of een kankerpatiënt waarbij een tumor is weggesneden, waardoor ergens een gat zit.

Het idee is om uitgaande van een klein aantal menselijke stamcellen en op basis van de vorm van het gat een vervangend stuk “weefsel” te printen, dat wordt geïmplanteerd en door het lichaam geaccepteerd.


Stevigheid

De grote uitdaging daarbij is de stevigheid van echt weefsel bereiken. En dat valt nog niet mee: de meeste wetenschappers zijn het er wel over eens dat geprinte “weefsels” – en op termijn organen – voor een flink deel zullen bestaan uit een hydrogel gevuld met cellen. Deze gel is echter te slap om als inbouw-weefsel te fungeren.

Daarom werken wetenschappers met zogeheten scaffolds (letterlijk: stellage), poreuze structuren opgebouwd uit een polymeer dat door het lichaam geaccepteerd wordt. Het lijkt erop dat de onderzoekers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine nu de ideale combinatie van materialen hebben gevonden voor stevig printweefsel. Parallel hieraan hebben ze hun integrated tissue-organ printer (ITOP) vervolmaakt.


Meerdere printkoppen

Deze printer gebruikt de fused deposition modelling-techniek voor het neerleggen van de verschillende materialen. Meerdere printkoppen bouwen samen de structuur laag voor laag op. De eerste printkop bouwt een driedimensionaal netwerk van draadjes gemaakt van poly(ε-caprolactone), ofwel PCL. Deze draadjes zorgen voor een stevige structuur. Printkop 2 legt daartussen baantjes neer van hydrogel, vermengd met levende cellen naar keuze. Ten slotte deponeert de derde printkop een hydrogel die na de printjob – maar vóór implanteren – oplost, waardoor kanaaltjes in de structuur ontstaan. Die kanaaltjes zijn cruciaal, want ze zorgen dat zuurstof en voedingsstoffen de cellen kunnen bereiken.

De onderzoekers hebben verschillende configuraties om weefsels mee op te bouwen. Wanneer in de toekomst een geprint stuk weefsel in een mens wordt ingebouwd, lost het scaffold van PCL na verloop van tijd (ca. 1 jaar) op, om plaats te maken voor nieuw ontstane cellen.

 


Kaakbot

Met hun printer bouwden de onderzoekers meerdere soorten weefsels. Om te beginnen een in de vorm van een stuk kaakbot, dat door een ongeluk bij een patiënt was weggeslagen. De precieze vorm van het te bouwen product komt van een CT-scan (zie figuur). Die data wordt omgezet in een formaat waarmee de printer uit de voeten kan. Deze gaat vervolgens aan de slag met de genoemde materialen, waarbij de cellen in dit geval stamcellen zijn die zich kunnen ontwikkelen tot botcellen. Na het bouwen van de structuur bleken de stamcellen nog te leven. Na toevoeging van stimulerende middelen gingen ze zich zelfs omzetten in botcellen.

Op een zelfde manier, maar met andere materialen, bouwden de onderzoekers een stuk schedelbot, een oor uit kraakbeen en een stuk spierweefsel. In alle gevallen konden ze het weefsel in leven houden in een proefdier en ontstonden er zelfs nieuwe cellen, zoals bloedvaatjes en zenuwen.

Door deze resultaten zijn de onderzoekers optimistisch over het gebruik van de 3D-printer voor het maken van vervangende weefsels. Vervolgonderzoek gaat zich richten op het testen van de gemaakte weefsels in het menselijk lichaam. De vraag is dan of ze worden geaccepteerd door het lichaam.

Het onderzoek van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine wordt onder andere gefinancierd door het Amerikaanse leger, dat interesse heeft in deze technieken voor het behandelen van de wonden van militairen.


Foto's en illustraties: Wake Forest Institute for Regenerative Medicine.