Bioprinting van menselijk weefsel met behulp van gespecialiseerde 3D-printers belooft de geneeskunde te transformeren, met implicaties voor orgaantransplantaties, de behandeling van kanker en de ontwikkeling van antibiotica.
Luke Massella is een van de ongeveer 10 mensen die rondlopen met een vervangende blaas die uit zijn eigen cellen is gekweekt.
Hij werd geboren met een open ruggetje, dat vanaf zijn geboorte een gat in zijn ruggengraat achterliet.
Toen hij 10 jaar oud was, had hij een dozijn operaties overleefd en de aanvankelijke verwachting van artsen dat hij nooit zou lopen, verslagen. Maar toen zorgde een slecht werkende blaas ervoor dat zijn nieren het begaven.
“Ik werd geconfronteerd met de mogelijkheid dat ik misschien voor de rest van mijn leven dialyse zou moeten doen,” zegt hij. “Ik zou niet meer kunnen sporten en geen normaal kinderleven met mijn broer kunnen hebben.”
Een ondernemende chirurg, Anthony Atala van het Boston Children’s Hospital, nam een klein stukje van Luke’s blaas en liet in twee maanden tijd een nieuwe blaas groeien in het laboratorium.
Toen verving hij in een 14 uur durende operatie de defecte blaas door de nieuwe.
“Het was dus ongeveer alsof ik een blaastransplantatie kreeg, maar dan van mijn eigen cellen, zodat je niet te maken krijgt met afstoting”, zegt Luke.
Afstoting treedt op wanneer het immuunsysteem van het lichaam getransplanteerde cellen aanvalt die afkomstig zijn van een ander organisme. Het gebruik van weefsel dat is gekweekt uit de eigen cellen van een patiënt helpt dit effect te bestrijden.
Luke werd worstelcoach in de openbare scholen van Connecticut en leidt nu, 27 jaar oud, evenementen in de juwelenindustrie.
“Ik kon daarna weer een normaal leven leiden”, zegt hij.
Voor zijn 13e werd hij 17 keer geopereerd, maar sindsdien heeft hij dat niet meer hoeven doen.
Dr Atala’s werk omvat bioprinting, waarbij aangepaste 3D-inkjetmachines worden gebruikt om biologisch weefsel te produceren.
Zijn team heeft “acht op cellen gebaseerde weefsels ontwikkeld die we in patiënten plaatsen”, zegt hij, waaronder gemanipuleerde huid, urinebuizen en kraakbeen, allemaal gekweekt in het lab.
Deze gemanipuleerde organen ondergaan klinische proeven voor goedkeuring door de Amerikaanse Food and Drug Administration.
“Je moet weten hoe je deze organen met de hand maakt, dan is de bioprinter echt een hulpmiddel voor opschaling,” zegt dr. Atala, directeur van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in North Carolina.
Met andere woorden, met bioprinten kunnen deze organen volgens hem op een betaalbare, consistente en nauwkeurig geconstrueerde manier worden gemaakt.
“Platte structuren zoals huid” zijn het gemakkelijkst te printen, zegt hij. Dan zijn “buisvormige structuren zoals bloedvaten en urinebuizen” een beetje complexer, met “holle niet-buisvormige organen zoals blazen” nog moeilijker.
Maar het moeilijkst zijn “solide organen zoals harten, longen en nieren,” met “zo veel meer cellen per centimeter”.
Voor deze zeer complexe organen bieden bioprinters een precisie die menselijke handen overtreft, zegt hij.
Pluripotent potentieel
Bioprinting heeft een hoge vlucht genomen na een dramatische ontdekking van Shinya Yamanaka en Sir John Gurdon, die in 2012 een Nobelprijs kregen voor hun werk.
De gewone cellen van volwassenen kunnen nu worden geherprogrammeerd om stamcellen te maken – geïnduceerde pluripotente stamcellen genoemd – die kunnen worden gebruikt om elke andere cel in het lichaam te maken.
“Er is de laatste jaren veel gebeurd,” zegt Steven Morris, chief executive van bioprinting start-up Biolife4d.
Mr Morris werkt aan het bioprinten van een hart met behulp van deze pluripotente cellen in het komende jaar. Dit zal aanvankelijk een kleinere versie van het orgaan zijn, legt hij uit, maar zou uiteindelijk farmaceutische bedrijven kunnen helpen het testen van proefmedicijnen op dieren te omzeilen, zegt hij.
En uiteindelijk zal het bioprinten van organen uit de eigen cellen van mensen het “enorme tekort aan aanbod” van organen voor transplantatie oplossen, zegt de heer Morris, en de noodzaak van immunosuppressieve geneesmiddelen tegen afstoting wegnemen.
Gespecialiseerde printers zouden zelfs tumoren van kanker kunnen reproduceren, waardoor artsen de kans krijgen om te testen “welke behandeling specifiek bij die patiënt zou kunnen werken”, zegt Erik Gatenholm, chief executive van het Zweedse start-up Cellink.
Zijn bedrijf heeft een bedrag van 2,5 miljoen euro gekregen.De bioprinters bieden ons ook een manier om “snel kleine hoeveelheden vloeistof neer te leggen om te testen of een nieuw antibioticum zou werken voor die specifieke patiënt”, zegt Annette Friskopp, vice-president voor speciale printsystemen bij het grote techbedrijf HP in Palo Alto.
Dit zou kunnen helpen het groeiende en ernstige probleem van antimicrobiële resistentie aan te pakken – de opkomst van “superbugs” die traditionele antibiotica niet kunnen doden.
HP werkt samen met het Amerikaanse Center for Disease Control om dit najaar printers in te zetten in vier regionale laboratoria in de VS.
Inkt en scaffolds
Printers van welke soort dan ook hebben inkt nodig, en bioprinters zijn niet anders. “Bioink” is een gel die door een drukmondstuk kan worden geëxtrudeerd en de suspensie nabootst die tussen cellen ligt, de zogenaamde extracellulaire matrix.
Zowel universiteitslaboratoria als start-ups, zoals Cellink, hebben bioinkten ontwikkeld die met veel soorten cellen kunnen worden gebruikt, zegt Ahu Arslan Yildiz, een biochemicus die aan het hoofd staat van een onderzoeksgroep aan het Izmir Institute of Technology in het westen van Turkije.
En deze “universele” bioinks worden steeds meer “verwerkbaar en gemakkelijk te hanteren”, zegt mevrouw Yildiz, terwijl ze ook niet toxisch zijn.
Een andere doorbraak op dit zich snel ontwikkelende gebied komt uit Japan.
De meeste bioprints maken gebruik van een steiger om cellen op hun plaats te houden. En als cellen eenmaal “op een bepaald niveau zijn gebracht, beginnen ze zich zelf te organiseren en te assembleren”, zegt Arnold Kriegstein, directeur van het centrum voor stamcellen en regeneratiegeneeskunde van de Universiteit van Californië in San Francisco.
De steiger kan vervolgens worden verwijderd.
Meer technologie van het bedrijfsleven
- Zijn ‘swipe left’ dating apps slecht voor onze geestelijke gezondheid?
- De race om ’s werelds krachtigste computer ooit te maken
- ‘Mijn robot geeft me het gevoel dat ik niet vergeten ben’
- Hoe stuwde Coca-Cola de verkoop van het WK naar een hoger plan?
- Bitcoin buster? De zoektocht naar een stabielere cryptocurrency
Maar Koichi Nakayama, aan de Saga University in het zuiden van Japan, heeft een manier ontwikkeld om 3D-weefsel te maken zonder scaffolds.
In plaats daarvan lans hij kleine bolletjes op een fijne reeks naalden, een zogenaamde kenzan.
Dr. Nakayama, arts en voorzitter van de afdeling Regeneratieve Geneeskunde en Biomedische Techniek van de universiteit, bereidt nu “de eerste menselijke proef in onze universiteit voor” om dialysebuisjes te implanteren die “gewoon zijn gemaakt van de eigen huidcellen van een patiënt”.
Bioprinten maakt dus enorme vooruitgang en belooft velen van ons een nieuw leven te geven.
- Volg Technology of Business-redacteur Matthew Wall op Twitter en Facebook
- Klik hier voor meer Technology of Business-functies