3D 'Bioprinting' kan helpen bij hartafwijkingen bij kinderen en meer

Door Natalie Sabin

11 juli 2022 - Bijna 1 op de 100 kinderen in de Verenigde Staten wordt geboren met een hartafwijking. De gevolgen kunnen verwoestend zijn, waardoor het kind afhankelijk is van geïmplanteerde apparaten die na verloop van tijd moeten worden vervangen.

"Mechanische oplossingen groeien niet mee met de patiënt", zegt Mark Skylar-Scott, PhD, hoogleraar bio-engineering aan de Stanford University. "Dat betekent dat de patiënt tijdens zijn groei meerdere operaties nodig heeft."

Hij en zijn team werken aan een oplossing die deze kinderen een betere kwaliteit van leven kan bieden met minder operaties. Hun idee: 3D "bioprinters" gebruiken om de weefsels te maken die artsen nodig hebben om een patiënt te helpen.

"De droom is om hartweefsel te kunnen printen, zoals hartkleppen en hartkamers, die levend zijn en kunnen meegroeien met de patiënt", zegt Skylar-Scott, die de afgelopen 15 jaar heeft gewerkt aan bioprintingtechnologieën voor het maken van vaten en hartweefsel.

De 3D-printer voor uw lichaam

Gewoon 3D printen werkt net als de inkjetprinter op uw kantoor, maar met één belangrijk verschil: In plaats van een enkele laag inkt op papier te spuiten, laat een 3D-printer lagen gesmolten plastic of andere materialen één voor één los om iets van onderaf op te bouwen. Het resultaat kan van alles zijn, van auto-onderdelen tot hele huizen.

Driedimensionale bioprinting, of het proces waarbij levende cellen worden gebruikt om 3D-structuren te maken zoals huid, bloedvaten, organen of botten, klinkt als iets uit een sciencefictionfilm, maar bestaat in feite al sinds 1988.

Waar een 3D-printer gebruik maakt van kunststoffen of beton, heeft een bioprinter "dingen als cellen, DNA, microRNA en ander biologisch materiaal" nodig, zegt Ibrahim Ozbolat, PhD, hoogleraar ingenieurswetenschappen en mechanica, biomedische techniek en neurochirurgie aan de Penn State University.

"Die materialen worden in hydrogels geladen zodat de cellen levensvatbaar blijven en kunnen groeien," zegt Ozbolat. "Deze 'bio-inkt' wordt dan in lagen aangebracht en krijgt de tijd om te rijpen tot levend weefsel, wat 3 tot 4 weken kan duren."

Welke lichaamsdelen hebben wetenschappers tot nu toe kunnen printen? De meeste weefsels die tot nu toe via bioprinting zijn gemaakt, zijn vrij klein - en bijna allemaal bevinden ze zich nog in verschillende testfasen.

"Klinische proeven zijn gestart voor kraakbeen-oorreconstructie, zenuwregeneratie en huidregeneratie," zegt Ozbolat. "In de komende 5 tot 10 jaar kunnen we meer klinische proeven verwachten met complexe orgaantypes."

Wat houdt bioprinting tegen?

Het probleem met 3D-bioprinten is dat menselijke organen dik zijn. Er zijn honderden miljoenen cellen nodig om één millimeter weefsel te printen. Dat kost niet alleen veel middelen, maar ook veel tijd. Een bioprinter die afzonderlijke cellen per keer naar buiten duwt, zou verscheidene weken nodig hebben om zelfs maar een paar millimeter weefsel te produceren.

Maar Skylar-Scott en zijn team hebben onlangs een doorbraak bereikt die de productietijd aanzienlijk kan verkorten.

In plaats van te werken met losse cellen, heeft het team van Skylar-Scott met succes bioprints gemaakt met een cluster van stamcellen, organoïden genaamd. Wanneer meerdere organoïden in elkaars buurt worden geplaatst, combineren ze - vergelijkbaar met hoe rijstkorrels samenklonteren. Deze klompjes assembleren zichzelf tot een netwerk van kleine structuren die lijken op miniatuurorganen.

"In plaats van losse cellen te printen, kunnen we printen met grotere bouwstenen [de organoïden]," zegt Skylar-Scott. "Wij geloven dat het een snellere manier is om weefsel te produceren."

Hoewel de organoïden de productie versnellen, is de volgende uitdaging bij deze manier van 3D-bioprinten het hebben van voldoende materialen.

"Nu we dingen kunnen fabriceren met veel cellen, hebben we veel cellen nodig om te oefenen," zegt Skylar-Scott. Hoeveel cellen zijn er nodig? Hij zegt: "Een typische wetenschapper werkt met 1 tot 2 miljoen cellen in een schaaltje. Om een groot, dik orgaan te maken zijn 10 tot 300 miljard cellen nodig."

Hoe bioprinting de geneeskunde kan veranderen

Eén visie voor bioprinting is het maken van levend hartweefsel en hele organen voor gebruik bij kinderen. Dit zou de behoefte aan orgaantransplantaties en operaties kunnen verminderen, omdat de levende weefsels samen met het eigen lichaam van de patiënt zouden groeien en functioneren.

Maar er moeten nog veel problemen worden opgelost voordat de belangrijkste lichaamsweefsels kunnen worden geprint en levensvatbaar zijn.

"Op dit moment denken we klein in plaats van een heel hart te printen," zegt Skylar-Scott. In plaats daarvan richten ze zich op kleinere structuren zoals kleppen en hartkamers. En die structuren, zegt Skylar-Scott, zijn nog minstens 5 tot 10 jaar weg.

Ondertussen ziet Ozbolat een wereld voor zich waarin artsen precies die structuren kunnen bioprinten die ze nodig hebben terwijl de patiënt op de operatietafel ligt. "Het is een techniek waarbij chirurgen de afdruk direct op de patiënt kunnen slepen," zegt Ozbolat. Dergelijke weefselprinttechnologie staat nog in de kinderschoenen, maar zijn team is vastbesloten deze verder te ontwikkelen.