Een oor in het kweekbakje; WEEFSELTECHNOLOGIE COMBINEERT POLYMEREN EN CELLEN TOT WEEFSELS EN ORGANEN

Weefseltechnologen kweken huid, kraakbeen, bot of spieren in het laboratorium. Ze combineren daarbij materiaalkennis, biologie en chemie. Zelfs lichaamsdelen als oren en borstkassen groeien in de kweekbakken.

TOT ZIJN zestiende miste Sean McCormack het linkerdeel van zijn borstkas. Zijn hart lag daardoor onbeschermd onder zijn blanke huid. Een levensgevaarlijke situatie voor de jongen uit Norwood, Massachusetts. Een klap op het orgaan kon funest zijn. Inmiddels loopt Sean met een complete borstkas rond omdat een chirurg en een chemisch technoloog uit Boston zich vier jaar geleden over hem ontfermden. In hun laboratorium kweekten ze een halve borstkas voor de jongen.

Die chemisch technoloog, prof.dr. Robert S. Langer van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, was afgelopen woensdag in Nederland om het North Sea Biomaterials Congres in Den Haag te openen. Hij gaf er een lezing over weefseltechnologie, het vakgebied waarvan hij en dr. Joseph Vacanti - de chirurg met wie hij al twintig jaar samenwerkt - de founding fathers zijn. Weefseltechnologie is een snelgroeiende tak van wetenschap die materiaalkennis, chemie, biologie en chirurgie in zich verenigt en tot doel heeft om in het laboratorium reserve-onderdelen voor het lichaam te kweken. Dat is, zoals de naam suggereert, niet beperkt tot weefsels zoals kraakbeen, bot, zenuwweefsel en spieren. Ook organen vallen daaronder. Langer en Vacanti proberen al vijftien jaar levers te kweken. Elders worden pogingen ondernomen om in het laboratorium bloedvaten, hart, alvleesklier en blaas te maken. Zelfs lichaamsonderdelen als oren, borsten en vingers staan in de steigers. “En we kunnen een borstkas kweken”, zegt Langer.

De kleine, kalende Amerikaan kijkt slaperig uit de ogen, de zinnen komen af en toe wat traag uit zijn mond. Hij lijdt aan zijn jet lag. Maar zodra het gesprek over Sean gaat, leeft hij op. Langer haalt vier dia's tevoorschijn. Hij houdt de eerste dia tegen het licht. Sean met ontbloot bovenlijf, voor de operatie. Zijn lichaam is ingedeukt ter hoogte van het hart. “Door een erfelijke aandoening mist hij daar zijn borstkas. Je zag zijn hart kloppen onder de huid”, aldus Langer, die vertelt dat Sean graag aan baseball doet. “Hij is een behoorlijke pitcher. Maar stel je voor iemand ramt de bal tegen zijn onbeschermde hart.”

HALVE BORSTKAS

Tweede dia. Een vreemd staketsel. Het blijkt de halve borstkas die bij Sean is ingezet. Langer legt de procedure uit: “Eerst hebben we wat kraakbeen van Sean genomen. De cellen in dat kraakbeen brachten we in kweek zodat we er uiteindelijk miljoenen van hadden. We maakten een mal die leek op een halve borstkas en in die mal brachten we een biologisch afbreekbare polymeer aan. Zo ontstond een hol, kunststof frame. Daarin hebben we tenslotte de gekweekte kraakbeencellen gezaaid. Die hechtten zich aan de wand, deelden en vormden kraakbeen. Daarna hebben we Sean geopereerd.”

Derde dia. Tussen de groene doeken ligt een opengesneden lichaam. Vierde dia. Sean vier jaar later, zo te zien in goede staat, met een complete borstkas. Het kunststof frame blijkt inmiddels afgebroken en verdwenen; de cellen hebben in de loop van de tijd kraakbeenweefsel gevormd en daarmee de verstevigende en beschermende taak overgenomen. “In het begin was Sean wel wat nerveus dat de operatie mis zou gaan. Maar nu vindt hij het pretty cool”, aldus Langer.

De opkomst van de weefseltechnologie is inmiddels ook op de markt merkbaar. Afgelopen mei gaf de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) het groene licht aan een gekweekte, levende menselijke huid (Apligraf) van het Amerikaanse bedrijf Organogenesis Inc. De huid mag gebruikt worden voor de behandeling van slecht genezende zweren aan het been. De zweer wordt verwijderd en in de plaats komt een stukje van de gekweekte huid. Het farmaceutische bedrijf Novartis heeft onlangs de wereldwijde rechten voor Apligraf gekocht voor 40 miljoen dollar. Inmiddels zijn er volgens Langer vier van dergelijke gekweekte huiden op de markt, ook voor de behandeling van bijvoorbeeld brandwonden.

De driedimensionale huid van Organogenesis Inc. bestaat uit twee lagen, de opperhuid (epidermis) en de lederhuid (dermis). “De epidermis lijkt erg veel op die van normale huid, maar de dermis krijgen we nog niet helemaal zoals het origineel”, zegt prof.dr. Clemens van Blitterswijk, mede-organisator van het Haagse congres. Van Blitterswijk is verbonden aan de sectie Biomaterialen van de Rijksuniversiteit Leiden, aan het Biomedisch Technologisch Instituut van de Universiteit Twente en hij is directeur van het twee jaar geleden opgerichte, snel groeiende bedrijf IsoTis, dat is gevestigd in Bilthoven. IsoTis houdt zich bezig met het kweken van huid, kraakbeen en botweefsel. “In de dermis liggen onder andere de haren ingebed. En daar zitten ook kliertjes, zenuwen en bloedvaten. Deze speciale onderdelen kunnen we er met de huidige technologie nog niet inkrijgen. Maar de fibroblasten en het ondersteunende collageen zit er wel in.”

Met de weefseltechnologie belandt de substitutiegeneeskunde in een volgende fase. Implantaten worden bedekt met lichaamseigen cellen, gedrenkt in een biologisch afbreekbaar polymeer zodat het geheel minder snel wordt afgestoten. Gekweekte huid krijgt steeds meer het driedimensionale aanzien van het origineel. Lichaamsdelen worden meer en meer vervangbaar. Van Blitterswijk: “Onze levensverwachting is in anderhalve eeuw tijd bijna verdubbeld, maar het lichaam is niet toegesneden op een levensduur van zeventig tot tachtig jaar. Na ons veertigste beginnen de organen en weefsels af te takelen en door de vergrijzing hebben we steeds meer vervangende onderdelen nodig. Omdat er een chronisch tekort is aan donororganen moet je naar andere oplossingen zoeken. Weefseltechnologie is er daarvan één.”

Langer en Vacanti maakten vijf jaar geleden een berekening van de Amerikaanse gezondheidskosten voor patiënten met orgaanfalen of weefselverlies. Ze kwamen op 400 miljard dollar, de helft van de totale kosten aan gezondheidszorg in de VS. De kosten van de 8 miljoen chirurgische ingrepen en de 40 tot 90 miljoen ziekenhuisdagen zouden volgens Langer en Vacanti wellicht beperkt kunnen worden met de komst van weefseltechnologie.

LEVERAANDOENING

Het idee achter de weefseltechnologie ontstond in 1983, vertelt Langer. Hij werkte toen al zes jaar samen met Joseph Vacanti die aan het Children's Hospital in Boston is verbonden. “Joe was verantwoordelijk voor de levertransplantaties. Hij kreeg regelmatig kinderen met een leveraandoening op bezoek die hij niet kon helpen. Een donororgaan was vaak niet beschikbaar. Jaarlijks worden er in Amerika 3.000 levertransplantaties uitgevoerd, maar er staan 30.000 mensen op de wachtlijst. Joe zag veel kinderen sterven. Hij kwam wel eens bij me met de vraag of we daar niks aan konden doen, of er geen manier was om hen te helpen. Samen hebben we toen het idee bedacht om polymeren en cellen te combineren tot weefsels.”

Dat idee is aangeslagen. De combinatie van een, eventueel biologisch afbreekbaar polymeer en een of meerdere celtypen is de basis van de huidige weefseltechnologie. Het polymeer dient als matrix waarin de cellen de kans krijgen om te groeien. Zo maakt Langer bijvoorbeeld oren. “Ik kan een mal maken van jouw oor”, aldus de Amerikaan. “Dan giet ik in die mal een polymeer, gemaakt van bijvoorbeeld poly-melkzuur of poly-glycolzuur. Het kunststof oor heeft van binnen een matrix-structuur, het bestaat uit een fijn vertakt netwerk. Als je daarna kraakbeencellen in dat netwerk aanbrengt gaan die zich hechten aan het polymeer. En als je dan ook nog de juiste groeifactoren of hormonen toevoegt gaan de cellen doen wat ze in een gewoon oor ook doen, namelijk verstevigende stoffen zoals collageen uitscheiden. Na een aantal weken ligt er een oor in het kweekbakje.”

Met het kweken van oren heeft Langer zich trouwens onvergetelijk gemaakt. Drie jaar geleden kwamen hij en Vacanti in het nieuws omdat ze een oor op de rug van een muis hadden gezet. Het is een van de meest verkeerd begrepen beelden uit de geschiedenis van de biotechnologie. Velen dachten dat het om een muis ging die dusdanig genetisch gemanipuleerd was dat er een extra oor op zijn rug groeide. Maar het was een kunststof raamwerk met daarin gekweekte, menselijke kraakbeencellen dat op de volwassen muis was geplaatst om te kijken of het geheel goed integreerde met het huidweefsel van de muis. “Een standaardtest die we volgens de regels verplicht zijn uit te voeren voordat we naar de mens gaan. We kunnen niet zomaar mensen oren aannaaien zonder controle-experimenten uit te voeren”, aldus Langer. Hij legt uit hoe het mis ging. “We waren benaderd door het Britse tv-programma Tomorrow's World. Ze hebben opnames gemaakt in mijn lab en dat van Joe. We hadden afgesproken dat we hen polymeren en celkweken zouden laten zien. Ze zijn daarna ook nog langs Chuck gegaan, de broer van Joe die anaesthesioloog is aan het Massachusetts Medical Center in Worcester. Chuck werkt met ons samen. Hij heeft ze toen zo'n muis laten zien. Het programma van de Britten was prima, maar de muis met het oor op zijn rug kwam twintig seconden in beeld. Veel media stortten zich op dat beeld en hebben het de wereld over gestuurd zonder daarbij uit te leggen waarom het nou precies ging. Het is zo gemakkelijk om het verkeerd te interpreteren en dat is ook gebeurd.”

Volgens Langer is theoretisch alles mogelijk met het basisprincipe dat hij en Vacanti hebben bedacht. “Je kunt je elk celtype op elk willekeurig polymeer voorstellen in combinatie met een gewenste groei- of differentiatiefactoren. In de praktijk is het moeilijk om iets te krijgen wat aan je wensen voldoet en veilig is voor de patiënt”, aldus de Amerikaan die inmiddels zo'n 500 artikelen, 320 patenten en 60 (inter)nationale prijzen op zijn naam heeft staan. Sinds 1989 is hij hoogleraar Chemical and Biomedical Engineering aan het MIT. Dit jaar kreeg hij de Lemelson-MIT prijs van een half miljoen dollar, 's werelds grootste geldprijs voor een Amerikaanse uitvinding of innovatie. In de wandelgangen is hij potentieel Nobelprijswinnaar.

Door de gezamenlijke inspanning van chemisch technologen, moleculair biologen, celbiologen, materiaalkundigen en chirurgen groeit het assortiment in de shop of spare body parts snel.

De FDA heeft vorige maand ook het product Carticel van het Amerikaanse bedrijf Genzyme Tissue Repair goedgekeurd. Het is een proces waarmee kraakbeencellen van een patiënt in kweek worden gebracht en vermeerderd tot in de miljoenen. De gekweekte kraakbeencellen worden in de patiënt teruggezet. Carticel wordt gebruikt om defecten in het kniegewricht te repareren. “Dit is eigenlijk de meest eenvoudige vorm van weefseltechnologie want je gebruikt alleen cellen en groeifactoren, geen polymeer”, zegt Van Blitterswijk.

Het bedrijf ReGen Biologics Inc. (Redwood City, Californië) gebruikt een matrix van collageen in de vorm van een meniscus. Die wordt teruggeplaatst in de knie. Hormonen die aan de matrix zijn toegevoegd moeten het kraakbeen van de patiënt stimuleren om te regenereren.

Vorig jaar zorgden artsen van het Children's Hospital voor opwinding toen ze bekend maakten dat ze bij tien lammetjes een in het laboratorium gekweekte blaas hadden geïmplanteerd. Binnenkort willen de artsen zo'n blaas in een mens zetten.

Langer werkt al jaren aan een kunstlever, bestemd voor patiënten die wachten op een levertransplantatie. Deze week promoveerde dr. Leonard Flendrig aan het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam op zijn 'bio-artificiële lever'. Het apparaat bestaat uit een plastic buis met daarin een opgerold polyester matje van losse, haardunne draadjes waaraan miljoenen varkenslevercellen gehecht zitten. Door het netwerk van draden lopen poreuze, plastic capillairen die de cellen van zuurstof voorzien. Flendrig testte het apparaat op varkens en wil volgend jaar onderzoeken of het ook geschikt is om menselijk bloed te zuiveren.

Het apparaat blijft buiten het lichaam. Daarom maakt het niet zoveel uit dat het immunogene materialen bevat. Dat ligt anders met de kunstlevers die ín het lichaam moeten werken, zoals degene die Langer ontwikkelt. De levercellen, gehuld in een polymeer, moeten zo min mogelijk afweerreacties te weeg brengen.

Weefseltechnologie is het verst gevorderd wat betreft huid, bot en kraakbeen. IsoTis, het Bilthovense bedrijf, werkt aan alledrie. De huid die het bedrijf maakt (BiSkin) bestaat uit twee scheidbare delen, de dermis en de epidermis. “Dat heeft te maken met onze strategie”, zegt Van Blitterswijk. “Meestal wil je brandwonden snel behandelen, maar voor onze strategie gebruiken we huid van de patiënt zelf zodat je geen afstotingsverschijnselen krijgt. Die expanderen we tot we de gewenste hoeveelheid hebben. Dat kost vaak een week of drie. Omdat je patiënten zo lang niet onbeschermd kunt laten liggen hebben we onze huid als het ware in tweeën gedeeld. We bedekken de wond eerst met een soort dermis die gemaakt is van poly-active, een copolymeer bestaande poly-ethyleenoxide en poly-butyleentereftalaat. In die dermis zitten geen cellen, maar wel stoffen die de bedekte wondlaag stimuleren om uit te groeien in het polymeer en daar collageen gaat maken. Ondertussen kweken we opperhuid en die leggen we na drie weken bovenop de dermis.”

Naast IsoTis zijn tal van andere bedrijven bezig met het kweken van betere, driedimensionale huiden. Het blad Business Week noemde er twee maanden geleden in het artikel Biotech Bodies vijf. “Er is zoveel mogelijk”, zegt Langer. “Er zit variatie in het polymeer. Je hebt bijvoorbeeld hydroxy-azijnzuur, polyanhydrides, calciumalginaat, polyethyleen, polypropyleen, noem maar op. Je kunt variëren met de bereidingswijze van je polymeren matrix, met de groeifactoren, de hormonen, het celtype. Iedere variatie kun je patenteren. We hebben nog niet de situatie bereikt waarin veel biotech-bedrijven nu zitten, dat patenten elkaar overlappen en dat men elkaar voor miljoenen guldens gaat sewen. Maar dat gaat wel komen.”

BEENMERG

Een grote vooruitgang is gemaakt bij het kweken van beenmerg. Tot voor kort verliep dit uiterst moeizaam. Chemisch technologen uit New York toonden onlangs aan waarom. Beenmergcellen hebben het juiste, driedimensionale micro-milieu nodig. Pas dan willen ze goed groeien. Bij de traditionele kweek drijven de cellen gewoon in een vloeistof. Blijkbaar willen de cellen in die omgeving niet delen en differentiëren. Dat doen ze wel als ze in een driedimensioneel polymeer zitten waaraan bovendien groei- en differentiatiefactoren zijn toegevoegd. Dan ontwikkelen de beenmergcellen zich tot rode bloedcellen, zo stelden de Amerikanen vast.

Ondanks het groeiend aantal successen, weten de weefseltechnologen nog weinig over de wetenschappelijke basis van hun werk. Er is veel trial and error bij. Zo vergeleek Charles Vacanti (Chuck, de broer van Joe) onlangs een aantal polymeren voor het groeien van varkenskraakbeen. In hydroxy-azijnzuur en calciumalginaat vormden de kraakbeencellen dikke bundels collageen. In een ander polymeer, een soort gel, vormde zich juist veel elastine waardoor het kraakbeen minder stug was. De oorzaak van dit verschil is niet duidelijk. “Het gedrag van het cel-polymeer construct wordt niet geheel begrepen”, concludeerden Vacanti en zijn collega's.

Hoe organiseert weefsel zich? Hoeveel groeifactoren voeg je toe? Hoe stuur je het differentiatieproces van cellen in de juiste richting? Ook dat is vooral heel veel proberen. Voor botvorming zijn de bone morphogenic proteins (BMP's) erg in trek. Maar daarvan zijn er de laatste jaren steeds meer ontdekt. Welke gebruik je voor de vorming van tandbot of bot in het been? Voeg je één BMP toe, of heeft een combinatie meer effect en zo ja, welke combinatie dan?

De praktisch ingestelde chirurg Joe Vacanti maakte onlangs in Business Week duidelijk dat al die vragen er eigenlijk niet zo veel toe doen. “Het prachtige is, we hoeven niet precies te weten hoe cellen zich organiseren tot een weefsel. We hoeven alleen maar te weten dát ze het doen.”

Van Blitterswijk vraagt zich ook af of alles tot in de details duidelijk moet zijn. “Weefsels zijn dynamisch, ze passen zich aan veranderingen aan. Moet je dat allemaal volgen? Het mooie is dat we nu weefsels kunnen maken met dynamische eigenschappen. Met de primitieve materialen was dat niet mogelijk. Die werkten alleen maar omdat ons lichaam zich aanpast aan de tekortkomingen van deze materialen.”

Langer maakt duidelijk dat weefseltechnologie pas aan het begin van zijn ontwikkeling staat. Hij verwacht grootse dingen. Hij spreekt zelfs over dè medische technologie van de 21e eeuw. “Je ziet een evolutie. We kunnen nog geen identieke kopieën maken van weefsels, maar we zijn onderweg. Met redelijk eenvoudige materialen kunnen we nu een huid maken. Geen perfecte huid zoals onze eigen, maar wel eentje die beter is dan de bestaande wondbedekkers. Met eenvoudige materialen kunnen we kraakbeen maken. Geen perfect kraakbeen, maar het is beter dan geen kraakbeen.”