WETENSCHAP

Stel je voor: een verloren been groeit vanzelf aan

Levende niercellen in een kunstmatige mal, waarmee wordt geprobeerd een kunstnier te maken. Beeld Moroni Laboratorium

Als een heup versleten is of een nier uitgevallen, kan een arts dit lichaamsdeel hooguit vervangen. Onderzoekers in Maastricht proberen het lichaam aan te zetten tot herstel. ‘Over een kunstnier wil ik het nog niet hebben.’

Soms kijkt hij met ­afgunst naar de salamander. Hoe dit beestje zijn vijanden weet te misleiden door zijn staart af te werpen. En vooral, hoe daarna een nieuwe staart aangroeit. “Als de mens een ledemaat verliest, is het lichaam hooguit in staat de wond dicht te kapselen. Een nieuw been zit er niet meer in. We begrijpen niet goed hoe de salamander dit flikt, en misschien zullen we het nooit begrijpen. Maar het zou toch heel mooi zijn als we ooit het menselijk lichaam ertoe zouden kunnen aanzetten om zelf verloren delen of falende organen te vervangen.”

Dat lichaam heeft al een prachtig herstelmechanisme, vertelt Lorenzo Moroni, hoogleraar biofabricage in de regeneratieve geneeskunde aan de Universiteit van Maastricht. Wonden genezen, infecties worden opgeruimd en elke dag vervangt de huid een paar miljoen cellen. Moroni: “Maar daar zit een grens aan. Grote botbreuken genezen niet spontaan, in gewrichten die door ouderdom zijn versleten, groeit het kraakbeen niet meer aan en nieren die hun functie verliezen, kunnen door ­artsen alleen maar worden vervangen.”

Het is zijn missie om daarin verandering te brengen. Om het lichaam handreikingen te bieden waardoor het wél dat herstel inzet. “Tot nu toe worden meestal synthetische materialen gebruikt”, zegt Matthew Baker, een van de groepsleiders uit het lab van Moroni. “Plastic botplaatjes bijvoorbeeld. Dat soort materialen zijn makkelijker te maken en te verwerken. Ze zijn vaak stijf, sterk en duurzaam. Maar ook lichaamsvreemd, ze worden nogal eens afgestoten,”

En ze zijn niet dynamisch, vult Moroni aan. “Het lichaam past zich voortdurend aan zijn omgeving aan, en aan het gedrag van zijn eigenaar. Spieren en botten worden bij intensief gebruik sterker. Zo’n synthetisch implantaat gaat niet mee in dat proces van aanmaak en afbraak. Wij proberen materialen te maken en processen te initiëren waarmee we die dynamiek wel kunnen nabootsen.”

Daarbij draait het veelal om stamcellen, de maagdelijke cellen die zich nog niet gespecialiseerd hebben tot huid- of spiercel, maar nog alle kanten op kunnen. Het is de uitdaging, zegt Moroni, “om het lichaam te stimuleren om die cellen in te zetten. En om een omgeving aan te bieden waarin die cellen groeien en zich specialiseren.”

Dun en stevig

Kijk, hier werken we aan, zegt zijn collega Carlos Mota even later in het laboratorium­­. Hij heeft een buisje in zijn hand, met een flinterdunne wand. Het is bedoeld om bloedvaten aan elkaar te koppelen en dan zodanig dat ze in het buisje naar elkaar toe groeien. Waarna het buisje door het lichaam wordt afgebroken. “Dat is het idee. We zitten nog in de beginfase. We zijn aan het uitzoeken wat de ideale grootte is, welke structuur het oppervlak moet krijgen, wat het beste materiaal is. Het is een balanceeract tussen verschillende eisen. Het moet bijvoorbeeld zo dun zijn, anders is het niet na één of twee jaar afgebroken. Maar het moet ook ­stevigheid hebben, want anders knikt het dubbel en stroomt het bloed er niet door. Vandaar dat er dit spiraalvormige buisje omheen zit.”

De binnenwand van het buisje is verrijkt met stamcellen, zegt Moroni. Het gaat erom dat die de juiste informatie krijgen zodat in het buisje een bloedvat groeit. “Dat is niet alleen een kwestie van vorm en structuur, het gaat ook om biologische informatie. In het lichaam geven cellen voortdurend signalen af, in de vorm van eiwitten, waarmee ze ­processen sturen. Ze stimuleren bijvoorbeeld andere cellen om zich te vermeerderen. Dat moeten wij zien na te bootsen.”

Intussen is Mota naar een ander deel van het lab gelopen om iets te laten zien waarmee hij denkt complexere structuren te kunnen laten groeien. Het is een botimplantaat, het ziet er ook al uit als een stuk schenkel, maar in feite is het een mal waarbinnen nieuw bot moet groeien. “De structuur van de mal instrueert de cellen welke vorm ze moeten aannemen”, zegt hij. “Die cellen brengen we er met een gel in, waarna ze kunnen groeien. We moeten daarbij een balans vinden tussen de ruimte die je de cellen biedt, zeg maar hoe poreus je de mal maakt, en de stevigheid die hij moet bieden. Binnenkort gaan we in dierstudies testen waar we dat evenwicht moeten zoeken.”

Hydrogel

Die gel, dat is de specialiteit van ­Matthew Baker. Je moet de cellen ergens in hebben zitten als je ze in zo’n mal of bloedvatbuisje wilt inbrengen, legt hij uit. Het is een zogeheten hydrogel, een soort gelatine: “Het is 95 procent water met wat bindmiddel. Het heeft dezelfde elastische eigenschappen als bijvoorbeeld de huid – je kunt het uitrekken en als je het loslaat, springt het weer in zijn oude vorm – maar gelatine herstelt zich niet. Als je gelatine in die mal perst, of gebruikt in een 3D-printer, dan valt het uiteen. Net als met geleipudding: als je ’m hebt aangesneden, krijg je ’m niet meer tot één geheel. Dat wil je bij die hydrogel wel.”

Hij heeft enkele reageerbuisjes met gel klaargezet. In het eerste buisje breekt de gel na wat roeren in stukjes en dat blijven het ook. Let op nu, zegt hij, terwijl hij in het tweede buisje gaat roeren. Deze gel valt sneller uiteen, maar wordt na enige tijd ook weer één geheel. “Het bindmiddel vormt een soort netwerk. Het eerste gaat blijvend kapot, in het tweede zijn de verbindingen nog losser maar hier gaan de losse connectiepunten telkens nieuwe verbindingen aan.”

Bovendien heeft hij het bindmiddel zo gekozen dat hij de gel kan manipuleren: door te variëren met de temperatuur of de zuurgraad maakt hij het goedje stijver of juist zachter. Ten slotte mag het netwerk niet te dicht zijn, anders kunnen de cellen zich er niet doorheen bewegen. Baker: “De gel reageert ook op de eiwitsignalen van de lichaamscellen. Dan past hij zijn structuur aan.”

Dit is het moment om de rondleiding even te onderbreken. Hoe indrukwekkend de materialen en gels ook zijn, het perspectief van de salamander begint uit zicht te raken. Wat is nu ­eigenlijk al mogelijk, welke biomaterialen hebben de kliniek bereikt?

Brandwonden

De meeste klinische successen zijn geboekt met de huid, zegt Moroni, voor het herstel van brandwonden. “Daarnaast lopen er studies voor de regeneratie van botten. Onze groep test nu bij 300 patiënten een materiaal voor het herstel van kraakbeen in gewrichten. Ook voor bloedvaten en geleiders van zenuwbanen zijn trials gestart.” De enige echte toepassing betreft het hoornvlies, vult Baker aan. “Voor sommige gevallen van staar is er een gel waarmee de cellen in een troebel hoornvlies kunnen worden hersteld.”

De oogst is misschien nog niet indrukwekkend, erkent Moroni. “Dit vakgebied, de regeneratieve geneeskunde, is nog jong. Het duurt voor biomaterialen al gauw tien jaar voordat een goed idee rijp is voor een klinische test. Als er ook levende cellen bij betrokken zijn, kun je daar nog wel vijf jaar bij optellen.”

Na miljoenen jaren van evolutie heeft de natuur een fantastisch product afgeleverd, het menselijk lichaam. “Dat is een geweldige inspiratiebron voor ons, maar tegelijk begrijpen we alle mechanismen nog niet voldoende om dat lichaam tot herstel van zieke of verloren weefsels aan te zetten.” En dan hebben we het nog niet gehad over complexere systemen dan een bloedvat of een bot, zegt Paul Wieringa, die onderzoekt hoe je zenuwbanen door weefsel kunt geleiden. “De opperhuid is nog eenvoudig. Maar diabetici krijgen soms zulke zweren dat ook de onderliggende huidlagen afsterven, dan heb je het over weefsels met een netwerk van bloedvaten en zenuwbanen die zich zo fijnmazig vertakken dat de patiënt er ook een gevoel in krijgt.”

Fluorescerende muizecellen

De rondleiding door de laboratoria eindigt in een klein kamertje. Hier zet Carlos Mota de eerste stappen op weg naar een kunstmatig orgaan, een kunstnier. Hij laat microscopische beelden zien van miljoenen fluorescerende muizecellen die hij met een gel in allerlei structuren heeft gedwongen. De kunstnier zelf is nog heel ver weg, zegt Mota. En de weg erheen is zo complex dat hij hem in stukjes heeft opgedeeld. “Hier gaat het alleen om die structuur. Kan ik de gel met eiwitten en geneesmiddelen zo manipuleren dat de cellen getriggerd worden om een bepaalde structuur aan te nemen?”

Een nier is meer dan een verzameling niercellen, legt hij uit. “In de baarmoeder groeien de stamcellen uit tot wel twintig, dertig types niercellen. Als we dat willen nabootsen, moeten we in staat zijn de stamcellen te vermeerderen en ze vervolgens in de juiste hoeveelheden, op de juiste plaats, tot het juiste celtype te laten uitgroeien tot één samenhangend orgaan.”

“Ik wil het eigenlijk niet over kunstnieren hebben”, zegt Moroni. “Dan schep je veel te hoge verwachtingen. Laat ik het zo zeggen: ik ben nu 42, als ik het vóór mijn pensioen meemaak dat een kunstorgaan zo ver ontwikkeld is dat het bij mensen getest wordt, dan zou ik zeer tevreden zijn over de bij­drage van dit vakgebied aan de geneeskunde.”

Toekomst

Hij richt zich liever op tussendoelen. Op een mininiertje bijvoorbeeld: als ze in staat zouden zijn om een klein klompje niercellen, met de goede structuur, een paar dagen in leven te houden, biedt dat mogelijkheden voor artsen en farmaceuten om geneesmiddelen te ontwikkelen. Of, in een iets verdere toekomst: om een soort hulpnier te maken, net voldoende om een verzwakte nier voldoende vermogen te geven.

Toch laat die ultieme droom hem niet los. “Ik weet het, een compleet kunstorgaan, of het een nier is, een hart of een lever, het blijft een moonshot, een ambitieuze uitdaging. Om in die termen te blijven: zoals de Nasa de ambitie­­ heeft om mensen naar Mars te brengen, maar tegelijk weet dat dat doel de komende jaren nog niet binnen bereik ligt, zo is het ook met onze ambitie­­. De successen met kunsthuid en kraakbeen stemmen mij optimistisch. We zitten op de goede weg, denk ik, maar of we er ooit komen, is een tweede.”

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden