FYI.

This story is over 5 years old.

Tech

De toekomst van 3D-printen: een menselijk hart uitprinten

3D-geprinte organen komen dichterbij.

Het was een eerlijke vraag, maar Stuart K. Williams liet het klinken alsof hij een weddenschap aan wilde gaan: "Welk orgaan zullen onderzoekers als eerst namaken met driedimensionale bio-printtechnieken?"

Williams, directeur van het Bioficial Organs Program bij de University of Louisville, stelde de vraag aan Gabor Forgacs van de University of Missouri bij het evenement Select Biosciences Tissue Engineering & Bioprinting Conference in Boston. Forgacs had net een speech gegeven en keek bedachtzaam.

Advertentie

Sommige experts geloven dat 3D-printers op een dag werkende organen kunnen gaan printen door de cellen van de patiënt zelf te gebruiken. Dit voorkomt complicaties die opkomen met de afstoting van organen door het immuunsysteem van de patiënt. Ook betekent dat het einde van grote orgaan-transplantatie wachtlijsten. Op elke orgaan-donor in 2012, waren er, volgens het Department of Health & Human Services meer dan 8 mensen in de VS die een orgaan wilden.

William's vraag bleef een tijdje in de lucht hangen. De zaal zat vol, ondanks het feit dat er een recordbrekende sneeuwstorm woedde. Het publiek wachtte op Forgacs's antwoord, maar iedereen had waarschijnlijk wel een vermoeden wat het zou worden.

Forgacs, een pionier op het gebied van biotechnologie printte eerder al 3D-structuren met 'inkt' gemaakt uit levende cellen. Hij reageerde op het publiek met: "iedereen droomt over 3D-geprinte organen, maar of we daar ook daadwerkelijk komen, ik vraag het me af."

Bioprinting zal het mogelijk maken om kleine stukjes weefsel te maken om medicijnen op te testen of om de biologie beter te kunnen begrijpen, zei Forgacs. Voorheen konden onderzoekers alleen maar hopen dat ze hele organen zouden kunnen gaan printen, voegde hij hier aan toe. Ze moeten dan een aantal grote uitdagingen overwinnen om de organen van essentiële noodzakelijk voedingsstoffen te kunnen voorzien.

Deze 3D-geprinte lever bevat drie verschillende typen cellen, credit: Organovo

Eén van de grotere uitdagingen is volgens Forgacs het uitvinden van de perfecte bio-inkt die de cellen als een echt orgaan laat handelen. Hij gelooft niet dat onderzoekers ooit letterlijk een orgaan zullen weten te printen; volgens hem moeten onderzoekers bovendien niet proberen om organen exact te kopiëren. "Er is geen reden dat we iets moeten ontwikkelen dat precies zo functioneert als het origineel, het kan ook beter," zei Forgacs tegen C&EN. De dag dat verbeterde harten en levers uitgeprint kunnen worden is nog decennia ver weg, maar Forgacs is optimistisch; "we zijn fantastische ingenieurs."

Advertentie

De vindingrijkheid van de onderzoekers wordt bewezen door de vooruitgang in bio-printing van de laatste 15 jaar. Het is moeilijk om een echt beginpunt vast te pinnen, maar veel onderzoekers wijzen naar het werk van Thomas Boland (een bio-ingenieur bij Clemson University) dat in het begin van deze eeuw uitkwam.

Boland verving de inhoud van een inkjet printercartridge met bio-inkt zodat hij cel-weefsel kon uitprinten. Nadat hij de cartridge in een aangepaste Hewlett-Packard desktopprinter stopte, printte zijn team een 2D-patroon op bio-papier. Het bio-papier was een mix van gelatine, collageen en proteïne, waar de cellen zich aan konden hechten. Binnen een paar jaar konden ze met deze technologie 3D-structuren bouwen.

Boland's experimenten legde hiermee de basis voor een fundamentele methode in bio-printing. Bio-inkt moet trouwens wel cellen bevatten om bio-inkt te zijn. Er is wel vaker metaal, plastic en keramiek uitgeprint voor biologische toepassingen zoals tanden, luchtbuizen en schedels. Velen zien dit als voorbeelden van conventionele 3D-print technieken, met biologische toepassingen, in plaats van daadwerkelijk bio-printing. Daarnaast moet een bio-printer in staat zijn om een door een willekeurige gebruiker ontworpen structuur te bouwen.

Wil het print-proces werken, dan moeten de cellen ook kunnen overleven. Met andere woorden: de lasers in een printer moeten niet te heet zijn voor het weefsel. Toen Boland de inkjet-innovatie lanceerde, ontwikkelden onderzoekers een groot scala aan inkten, papieren en printers die aan de basis-voorwaarden van bio-printen voldoen. Een aantal van deze producten zijn ook al verkrijgbaar op de commerciële markt.

Advertentie

Er zijn nu volgens Select Biosciences tientallen 3D bio-printingbedrijven. Organovo, een bedrijf dat op Forgacs technologie gebaseerd werd, ontwikkelde een technologie, genaamd exVive, die het mogelijk maakt om lever-weefsel te kweken. Farmaceutische bedrijven kunnen dat soort gekweekt weefsel bijvoorbeeld gebruiken om experimenten op uit te voeren. Tot nu is de reactie op het exVive-product erg goed, zei Murphy. Het weefsel bracht Organovo al 140.000 dollar op.

Een van de andere vraagstukken waar de wetenschappers mee bezig zijn, is het vinden van een manier om bloedvaten te maken met een 3D-printer. Dat vertelt Yong Huang, werktuigbouwkundige aan de Universiteit van Florida. Hij was niet naar Boston afgereisd, maar sprak op C&EN vanaf het wat warmere Gainesville. Maar zijn sentiment werd gedeeld met veel andere sprekers op de conferentie.

Om in staat te zijn om weefsel dikker dan een paar honderd micrometer te printen, moeten de onderzoekers een vaatstelsel opbouwen zoals het in de natuur voorkomt. Bloedvaten gaan als wortels van planten door het menselijk lichaam om cellen zuurstof en voedingsstoffen aan te leveren en afvalstoffen af te voeren. Zonder een vaatstelsel kunnen cellen moeilijk overleven.

Onderzoekers zijn er al in geslaagd om bloedvaten te printen, maar dat zijn over het algemeen homogene en symmetrische cylinders, zegt Huang. Een echte bloedsomloop bestaat uit een heterogeen netwerk met vertakkingen van verschillende diameters. Wetenschappers kunnen zo'n complex netwerk niet namaken met alleen simpele cilindervormige vaten, voegt hij toe.

Advertentie

Om vaatstelsels met complexere vormen te maken, gebruikte het onderzoeksteam van Huang een soort van inkjetprinter om een inkt van natriumalginaat met cellen in een oplossing van calciumchloride te druppelen. Het alginaat, een polysaccharide dat uit bruine algen wordt gehaald, gaat een binding aan zodra het in aanraking komt met calcium en vormt dan een gelei. De cellen die met het alginaat vermengd waren vormen zo een kunstmatig vaatstelsel, dat de onderzoekers laag voor laag konden opbouwen

Ook al is Huang erg enthousiast over het resultaat tot nu toe, zijn er toch nog een hoop vragen. In het bijzonder vraagt hij zich af of de geprinte bloedvaten zich als echte bloedvaten gaan gedragen als ze eenmaal geïmplanteerd zijn in levend weefsel.

"Gedragen de cellen zoals we dat willen? Dat weten we nog niet," zei Huang. "Wil je een huis steen voor steen opbouwen? Dat gaat prima. Maar wanneer je levend weefsel cel voor cel opbouwt, weet je niet hoe het gaat werken."

De grootste uitdaging in 3D-bioprinten is het ervoor zorgen dat de geprinte cellen uitgroeien tot functioneel, levend weefsel," voegt Huang toe. Om dit voor elkaar te krijgen heb je een legertje aan ingenieurs, biologen, clinici en vele anderen nodig.

Jennifer A. Lewis van Harvard University heeft een andere invalshoek gekozen. Haar onderzoeksgroep bouwt de bloedvaten op met een soort mal van inkt. Met de inkt worden kanaaltjes van tien tot honderden micrometers geprint. Uiteindelijk verdwijnt die inkt en blijft levend weefsel over, zo vertelde ze het publiek tijdens de Select Biosciences-conferentie.

Advertentie

De inkt waarmee de kanaaltjes worden opgebouwd is gebaseerd op een copolymeer dat bekend staat als Pluronic F127. Deze inkt kan direct naast cel-rijke bioinkt geprint worden, omdat beide inkten worden gescheiden door een materiaal dat de extracellulaire matrix stimuleert. Dit is een natuurlijk ondersteuningsmechanisme voor cellen. Beide materialen zijn bij kamertemperatuur een gelei – zowel de bioinkt als de matrix bevatten uit gelatinemethacrylaat.

Maar de inkt van Pluronic F127 heeft een bijzondere eigenschap. Als de inkt afkoelt wordt deze vloeibaar, bij ongeveer 4 graden celsius. Zodra de onderzoekers klaar zijn met printen, kunnen ze de mal eenvoudig wegspoelen door het preparaat te koelen. De cellen en de matrix blijven gewoon op hun plaats.

De onderzoekers vullen de kanaaltjes dan met endotheelcellen die aan de matrix binden en daardoor ontstaan open bloedvaten.

Hoewel de bloedvaten die op deze manier worden gemaakt, niet lijken op echte bloedvaten, is dat volgens Lewis geen probleem. Het team van Harvard hoopt dat als zij zelf eerst de grote bloedvaten maken, de cellen zelf de vertakkingen vormen.

"Uiteindelijk wil je dat de cellen en de biologie het overnemen," zegt ze. "Maar we weten niet hoeveel structuur we zelf moeten printen, voordat de biologie het overneemt."

Ondanks alle vragen rondom de toekomst van bio-printen, is het makkelijk om terug te vallen op de vraag die Williams aan het begin van de conferentie stelde: Wat wordt het eerste orgaan dat we kunnen 3D-printen? Het is zo'n gedrufde vraag – zonder kwalificaties of voorwaarden – dat het brutale speculatie uitnodigt.

Toch reageerde Williams maar sober. Hij denkt, net als Forgacs, dat het nog lang zal duren voordat een volledig orgaan geprint gaat worden. Eerst zullen we kleinere stukken weefsel gaan implanteren, waarschijnlijk in de gebieden waar de huidige methoden te wensen overlaten. Om die reden denkt hij dat we het bio-printen het eerst zullen gebruiken om gelaats- en borstweefsel dat verloren is gegaan tijdens een behandeling tegen kanker te vervangen.

Williams hoopt alleen dat het bio-printen daar niet eindigt. Hij is het ook eens met Forgacs dat wetenschappers met deze techniek organen kunnen ontwerpen die beter zijn dan wat mensen nu hebben. Hij zegt dat het een hele tijd zal duren voordat we daar zijn, maar het is zeker mogelijk. "We kunnen organen maken die beter zijn dan het biologische origineel. Dat is wat dit zo leuk maakt."