Organen bouw je blokje voor blokje

Geneeskunde

Technieken om nieuwe organen te kweken hebben hun grote beloften nog niet ingelost. In Maastricht proberen tissue engineers het nu van onderaf. Ze beginnen bij een enkele cel. De sleutel ligt in de ontwikkelingsbiologie.

FOTO MERLN

De cellen zelf het werk laten doen om organen te vormen – dat is de truc. „Zo gaat het ook in een embryo”, zegt onderzoeker Nicolas Rivron. „Alleen op deze manier is het mogelijk de complexe structuur van organen nauwkeurig na te bouwen.”

Rivron, stamcelbioloog van Franse origine, ontwikkelde samen met anderen een innovatieve weefselkweektechniek. Hij laat cellen onder gecontroleerde omstandigheden groeien waarna hij steeds grotere kluitjes cellen samenvoegt. Door verschillende vormen en verschillende soorten cellen op steeds grotere schaal te combineren kan hij weefsels bouwen die zuiver uit cellen bestaan, net als normaal het geval is in het lichaam.

In zijn wetenschappelijke werk verdeelt Rivron zijn tijd tussen Maastricht, Utrecht en Boston. Hij promoveerde aan de Universiteit Twente bij tissue engineer Clemens van Blitterswijk. Toen Van Blitterswijk twee jaar geleden verhuisde naar een nieuwe instituut MERLN in Maastricht, ging Rivron mee. Daarnaast doet hij onderzoek bij het Hubrecht Instituut in Utrecht in de groep van Niels Geijsen en aan het Broad Institute in Boston.

Rivron doet zijn werk met het oog op de transplantatiegeneeskunde. Al jaren wacht die op een grote doorbraak om echt functionele, vervangende organen te kunnen leveren. Het lukt wel om relatief eenvoudige weefsels te maken, zoals botimplantaten. Maar een complete nier, alvleesklier of lever reconstrueren blijkt nog een brug te ver. „De complexiteit van het kweken van organen is onderschat”, zegt Rivron.

De meeste tissue engineers werken met frames of ‘scaffolds’ van polymeer of hydrogel, die de ingezaaide cellen stevigheid bieden en zorgen dat het implantaat zijn vorm behoudt. Maar tegelijkertijd zit dat materiaal soms het functioneren van het orgaan in de weg, zegt Rivron. „Hoewel een scaffold meestal zo gemaakt is dat het na verloop van tijd in het lichaam oplost, ontneemt het aanvankelijk wel de vrijheid van het weefsel om zich te reorganiseren. En dat is cruciaal: de vorm bepaalt deels de functie van het orgaan. Elk orgaan in ons lichaam heeft zijn eigen vorm, en dat is niet voor niets. Een gekweekt orgaan moet je daarom zoveel mogelijk zichzelf laten vormen.”

Parallelle minikweekjes

Rivron begint met het kweken van stamcellen, met duizenden tegelijk. Dat moet wel behapbaar blijven. Samen met zijn collega’s ontwikkelde hij daarom een inventieve methode om heel veel parallelle minikweekjes te laten groeien. Met fotolithografische technieken die ook in de chipindustrie worden gebruikt hebben ze de gangbare platen met 96 kweekbakjes verder geminiaturiseerd. Een stempel met micropatroon drukt honderden microscopisch kleine ronde putjes uit in de agarosegel onderin de plastic kweekbakjes. Daardoor kunnen er op één zo'n plaat wel 50.000 klompjes stamcellen worden gekweekt. De gel stoot de cellen af waardoor ze gedwongen zijn om in het midden van de putjes celklompjes te vormen.

In het laboratorium in Maastricht pakt Rivron voorzichtig een celkweek uit de broedstoof, een warme kast waarin de cellen optimaal kunnen groeien. De ronde bakjes in het doorzichtige plastic plaatje zijn gevuld met een vloeistof die eruit ziet als frambozenlimonade. Verder is er niet veel aan te zien. Pas onder de microscoop wordt duidelijk dat elk rozerood bakje op de bodem weer honderden kleinere bakjes bevat, met in elk daarvan een geordend klompje cellen. Dat zijn de stamcellen, de ongedifferentieerde oercellen die zich oneindig kunnen vermeerderen. Door toevoeging van signaalstoffen en groeifactoren kan Rivron die stamcellen verder laten ontwikkelen tot ieder gewenst celtype. Er zijn al veel ‘recepten’ van hoe dat moet, maar nog altijd ontdekken onderzoekers nieuwe stoffen of combinaties van stoffen die de ontwikkeling beïnvloeden.

Het mooie van de microfabricatietechniek is nu, dat er met weinig moeite heel veel verschillende ‘recepten’ kunnen worden uitgeprobeerd, legt Rivron uit, simpel door in elk van de 96 kweekbakjes te variëren in soort, tijdstip, volgorde en hoeveelheid stoffen die worden toegevoegd. „Ons onderzoek richt zich nu voornamelijk nog op het begrijpen van het stamcelgedrag. We zijn op grote schaal heel veel verschillende condities aan het testen om de beste cocktail eruit te pikken. Doordat we duizenden identieke celklompjes parallel onder exact dezelfde condities kunnen kweken, is de statistiek goed genoeg om ook heel subtiele variaties te ontdekken.”

Daarna volgt een stap die lijkt op fröbelen met cellen. Rivron voegde de gedifferentieerde cellen samen in millimetergrote geometrische mallen. Hij maakte zo vierkantjes, rondjes, driehoekjes, sterretjes van cellen. Dat zijn bouwstenen voor grotere stukjes weefsel. Aan elkaar gelegde driehoekjes vormden binnen 24 uur een velletje weefsel, dat met een pincet was op te tillen. En op elkaar gestapelde rondjes vormden een balkje van weefsel.

Microscopisch klein robotje

Er zijn andere onderzoeksgroepen in de wereld die soortgelijke methodes beproeven als in Maastricht, zegt Rivron. Ze laten blokjes weefsel afzonderlijk groeien, en zetten die daarna als puzzelstukjes aan elkaar. „Prachtige dingen die ze verzinnen”, zegt Rivron daarover. „Maar meestal zijn het ingenieurs die hieraan werken en die denken heel anders dan een bioloog. Ze bedenken bijvoorbeeld dat ze de stukjes aan elkaar kunnen koppelen met antilichamen of chemische bindingen. Onderzoekers bij MIT en Stanford hebben zelfs bedacht dat een microscopisch klein robotje de stukjes op de juiste manier in elkaar kan zetten! Heel cool, maar het is de vraag of dat in de praktijk werkt.”

Rivron gelooft zelf meer in het zelforganiserend vermogen van de cellen. Door in het begin de juiste uitgangscondities te kiezen, doen de cellen later in de ontwikkeling precies wat je wilt, is zijn theorie. „Wij volgen daarbij de lessen van het embryo”, zegt hij, „In de embryonale ontwikkeling beginnen organen en weefsels ook met een heel eenvoudige vorm, die later complexer en complexer wordt. Dat werkt via zogeheten embryonale inductie, een principe dat begin twintigste eeuw werd ontdekt door de Duitse embryoloog Hans Spemann. Naburige compartimenten in het embryo organiseren anderen in hun directe omgeving.”

In het laboratorium dwingt Rivron de cellen met een mal in de juiste vorm. De celgroei volgt echter niet precies de contouren daarvan, maar heeft de neiging afgeronde hoeken te maken. Door de vorm van de mal te variëren, kun je precies het bouwblokje krijgen dat gewenst is.

Ook dat is niet zo maar Spielerei, zegt Rivron. „De vervorming van het weefsel dicteert ook de biologische functie. Als we celklompjes in een mal dwingen om scherpe hoeken te vormen, krijg je op die plekken spontaan chemische en mechanische signalen die de aanmaak van bloedvaatjes stimuleren. Nu we dat weten, kunnen we door de juiste vormpjes te kiezen precies sturen waar in het weefsel bloedvaatjes worden aangelegd in het kunstmatige weefsel.”

Om te bewijzen dat deze technologie werkt, maakten Rivron en zijn team een kunstmatig gehoorbeentje. Deze zogeheten stijgbeugel is het kleinste botje in het menselijk lichaam van slechts enkele millimeters groot. Vanuit embryonale stamcellen kweekten de onderzoekers kraakbeencellen die ze vervolgens in een mal goten. De vorm ervan was iets ruimer dan het botje moest worden, anticiperend op de vervorming van het weefsel die nog optreedt bij het ossificeren (‘verbenen’). Het kunstbotje heeft uiteindelijk niet alleen de natuurlijke vorm gekregen, maar heeft ook een gladde verbeende buitenkant, en beenmerg van binnen.

Rivron en Van Blitterswijk hebben octrooi verkregen op hun techniek. Ze willen bedrijven licenties geven om organen te gaan bouwen. Maar dat is toekomst, beseft Van Blitterswijk: „Het is voor bedrijven nog te vroeg om het op te pikken, we moeten eerst in een studie bij patiënten laten zien dat dit echt werkt.”

Experimenten met muizen gaven al goed resultaat, zegt Rivron. „We bouwden een stukje precursorweefsel van bot dat we bij muizen onder de huid plaatsten. De aangelegde vaatjes in het kunstweefsel maakten na implantatie al snel verbinding met de bloedvaten van de gastheer. De bloedvoorziening is natuurlijk cruciaal voor een biologisch implantaat. In twee dagen tijd kwam het bloed al tot in de kern van het weefsel. Dat is te danken aan het feit dat het zich nog kan modelleren. Je hoeft een orgaan straks zelfs niet in zijn uiteindelijke grootte en vorm in een lichaam te plaatsen. Omdat wij het weefsel zijn zelforganisatie meegeven kan het nog verder doorgroeien.”