Rambam Medical Center: Israëlische onderzoekster ontwikkelt 3D-bioprinting voor orgaantransplantaties en opent daarmee de deur naar betere oplossingen

Dr. Arbel Artzy-Schnirman. Foto Rambam Health Care

In een laboratorium van het Rambam Medisch Centrum in Haifa, ver verwijderd van operatiekamers en ziekenhuisafdelingen, staat een machine die op het eerste gezicht op een standaard 3D-printer lijkt. Maar bij nader onderzoek blijkt er iets veel opmerkelijkers aan de hand te zijn, schrijft Ynet.

In plaats van inkt of plastic, zijn de printkoppen gevuld met biologisch materiaal en levende cellen. Laagje voor laagje bouwt het een minuscule structuur op die, ongelooflijk genoeg, een menselijke long nabootst.

"Het is verbazingwekkend. De huid is alweer verleden tijd. De longen zijn de nieuwe trend," aldus dr. Arbel Artzy-Schnirman, hoofd van het Centrum voor Medische Toepassingstechnologieën bij Rambam en leider van het onderzoek.

'Ik ben dol op longen. Dit moet je echt zien,' voegde ze eraan toe. 'Op dit moment hebben we in onze couveuse een klein bakje met functioneel longweefsel. Er zitten cellen in die slijm afscheiden en cellen met haarachtige structuren die vuil en bacteriën uit de lucht filteren, net als in een menselijke long.'

Ze merkte op dat onderzoekers erin geslaagd zijn longweefsel met deze cellen te printen en zelfs de beweging van de minuscule, haarachtige structuren onder een microscoop te observeren. Toch benadrukte ze dat dit slechts een fragment van een long is.

"Het oppervlak van een complete menselijke long is zo groot als een tennisbaan. Er bestaat momenteel, voor zover ik weet, geen technologie waarmee een complete long kan worden geproduceerd," zei ze.

Van sciencefiction naar realiteit

Het idee om delen van het menselijk lichaam in een laboratorium te produceren klinkt misschien als sciencefiction, maar het gebeurt al. Hoewel complete organen zoals harten of nieren nog niet binnen handbereik zijn, beschouwen Israëlische onderzoekers hun werk als een belangrijke stap in de richting van dat doel.

Bij Rambam werken wetenschappers aan het printen van menselijk weefsel met behulp van de eigen cellen van een patiënt, het creëren van ziektemodellen en het testen van nieuwe medicijnen voordat ze op mensen worden getest.

Dr. Arbel Artzy-Schnirman. Foto Rambam Health Care

"Om weefsels te printen, moeten we begrijpen hoe weefsel eruitziet, hoe het is opgebouwd, welke cellen het bevat en wat de eigenschappen ervan zijn", legt Artzy-Schnirman uit. "Van daaruit creëren we in het lab een geometrische structuur die het oorspronkelijke weefsel nauwkeurig nabootst, zowel qua vorm als qua celstructuur."

Het doel is functionaliteit. "We willen dat het weefsel zich gedraagt ​​als het echte weefsel, zodat het gebruikt kan worden en de realiteit echt weerspiegelt," zei ze.

Afdrukken met levende materialen

Het proces combineert biologische inzichten met technische expertise.

"Het is niet te vergelijken met een printer voor thuisgebruik, maar het concept is vergelijkbaar," zei ze. "In plaats van in twee dimensies te printen, printen we laagje voor laagje om een ​​driedimensionale structuur te creëren."

In plaats van inkt gebruikt de printer biologische stoffen die menselijk weefsel vormen, zoals collageen, fibronectine en laminine. Door verschillende materialen en celtypen te combineren, kunnen onderzoekers de complexiteit van menselijk weefsel nabootsen.

"In het menselijk lichaam bestaat weefsel niet uit slechts één type cel," zei ze. "De mogelijkheid om meerdere materialen en cellen tegelijk te printen, stelt ons in staat die complexiteit te creëren."

Geprint weefsel met levende cellen die in een incubator groeien. Foto Rambam Health Care

Op weg naar een onbeperkte orgaanvoorraad

Als de technologie haar volledige potentieel bereikt, zijn de gevolgen ingrijpend.

Er is momenteel een groot tekort aan organen voor transplantatie, waardoor patiënten vaak jaren moeten wachten. Onderzoekers hopen dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om cellen van een patiënt te gebruiken om een ​​gepersonaliseerd orgaan te printen, waardoor het risico op afstoting door het immuunsysteem wordt geëlimineerd.

"Dat zou buitengewoon zijn," zei Artzy-Schnirman. "We zouden ook delen van organen kunnen vervangen. Na een hartaanval zou beschadigd weefsel bijvoorbeeld hersteld kunnen worden door nieuw weefsel te printen. Hetzelfde geldt voor brandwonden, huidbeschadigingen en zelfs lange botten."

Dergelijke vooruitgang zou met name in Israël van groot belang kunnen zijn, waar ziekenhuizen de afgelopen jaren grote aantallen gewonde patiënten hebben behandeld, vaak met complexe weefsel- en orgaanbeschadigingen.

"Er is echt behoefte aan," zei ze. "De geneeskunde moet vaak compromissen sluiten. Weefselprinten zou de deur kunnen openen naar veel betere oplossingen."

Een revolutie teweegbrengen in de geneesmiddelen ontwikkeling.

Voorlopig liggen de meest directe toepassingen in de geneesmiddelenontwikkeling.

"Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen is toxiciteit", aldus Artzy-Schnirman. "Een geneesmiddel kan een probleem oplossen, maar tegelijkertijd de lever of het hart beschadigen. Er bestaat momenteel geen eenvoudige manier om dit te testen."

Bioprinting stelt onderzoekers in staat om modellen van menselijk weefsel te creëren, zoals lever- of hartweefsel, en daarop medicijnen te testen.

"Dit begint nu al te gebeuren. Het is een echte revolutie, iets wat we duidelijk aan het ontsluiten zijn," zei ze.

De technologie zou ook de afhankelijkheid van dierproeven kunnen verminderen. Hoewel het deze niet volledig zal elimineren, kunnen geprinte menselijke modellen de behoefte aan dergelijke experimenten aanzienlijk verlagen.

Er blijven uitdagingen bestaan.

Ondanks de vooruitgang blijft het printen van complete organen een grote wetenschappelijke uitdaging.

Onderzoekers moeten de structuur van elk orgaan volledig begrijpen, inclusief de geometrie en de cellulaire samenstelling, en technologie ontwikkelen die in staat is deze te repliceren.

Een van de grootste uitdagingen is het creëren van bloedvaten in geprint weefsel. In het menselijk lichaam wordt elke cel van zuurstof en voedingsstoffen voorzien via nabijgelegen bloedvaten. Het nabootsen van dit systeem is essentieel voor de integratie van geprint weefsel in het lichaam.

"Dit is een uitdaging die nog niet volledig is opgelost," aldus Artzy-Schnirman. "Maar we vinden oplossingen die de situatie steeds verder zullen verbeteren."

Kleine stapjes op weg naar een grote doorbraak.

Voorlopig zijn de doorbraken stapsgewijs.

In het Rambam-ziekenhuis printen onderzoekers al huidweefsel in het kader van een samenwerking met de dermatologieafdeling. Het doel is om huidafwijkingen te bestuderen en beter te voorspellen welke zich tot kanker kunnen ontwikkelen.

"We kunnen gezond huidweefsel printen en cellen uit een wond van een patiënt inbrengen", zei ze. "Hierdoor kunnen we de ontwikkeling in het laboratorium observeren, veranderingen volgen en de reacties op verschillende behandelingen testen."

Het is nog onduidelijk wanneer volledig functionerende organen werkelijkheid zullen worden. Dat kan tien, twintig jaar of langer duren.

Maar voor onderzoekers die tegenwoordig met bioprinters werken, is de richting duidelijk.

Ook al begint het met kleine stukjes weefsel die in een incubator groeien, zoals veel wetenschappelijke doorbraken, deze transformatie kan beginnen met iets opmerkelijk kleins.