Weefsel uit de printer

Riccardo Levato en Sammy Florczak (PhD-student in zijn team) werken aan de volumetrische printer. Foto: I. Pel, UMC Utrecht

Een piepkleine lever of glanzend stukje pancreas dat zo uit de printer rolt. De razendsnelle ontwikkeling van bioprinters belooft een toekomst waarin men met een druk op de knop levensreddende weefsels opbouwt voor transplantatie in het lichaam.

Het beeld lijkt futuristisch: glimmende machines die in een paar minuten tijd levende weefsels en stukken van organen printen. Toch is dit al een tijdje geen fantasie meer. In verschillende laboratoria bouwen onderzoekers aan 3D-printers die zachte goedjes met levende cellen uitdraaien. Kloppende stukjes hartspier, gladde brokjes kraakbeen, mini-levers of delen van een pancreas; allemaal rollen ze uit deze zogeheten bioprinters. Het doel is om deze geprinte structuren ooit te transplanteren in het lichaam. Daar kunnen ze falende organen ondersteunen of andere lichamelijke functies overnemen. Ook in Nederland wordt hier momenteel hard aan gewerkt.

‘Binnen Europa is Nederland een pionier als het gaat over bioprinten’, zegt biomedicus Jos Malda van het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht. Hij werkt aan het printen van weefsel voor het kniegewricht. Met zijn groep ontwikkelt hij botkraakbeenimplantaten, die ze trouwens niet enkel in mensen maar ook in paarden willen transplanteren. In hun lab staan verschillende 3D-printers die elk bijdragen aan een ander onderdeel. ‘Eerst maken we een verankering voor het bot uit een soort elastisch keramiek’, legt Malda uit. ‘Daar printen we vervolgens een collageenachtige hydrogel met cellen overheen. Dit geheel combineren we als laatste met flinterdunne vezels die als een soort kevlar dienen waardoor de cellen de krachten in het kniegewricht aankunnen.’

Hoewel de knie-implantaten nog niet bruikbaar zijn voor patiënten, timmeren Malda en zijn groep momenteel hard aan de weg om ze in paarden uit te testen. Osteochondrose is een aandoening bij jonge paarden waarbij in de knie een stukje van het bot onder het kraakbeen fout is gegroeid. ‘Daar zijn nog geen goede behandelingen voor’, zegt Malda. ‘De droom is om ons implantaat als last resort in te kunnen zetten. Wat we daaruit kunnen leren is waarschijnlijk ook toepasbaar voor de mens, en zou daarom een eerste stap richting een klinische toepassing vormen.’

Hydrogel
De rode draad bij bioprinten is dat het printen gebeurt met een zogeheten bioinkt. Die bestaat vaak uit een hydrogel waarin cellen en stoffen zitten die het lichaam accepteert. De truc is om deze hydrogel uit te harden in de gewenste structuur waarbij cellen op een vaste plaats komen te zitten. Biomedisch ingenieur Riccardo Levato, een collega van Malda die eveneens verbonden is aan het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht, optimaliseerde hiervoor een techniek – zogeheten volumetrisch 3D-printen. Met behulp van lichtstralen weet hij mini-organen in een specifieke vorm te groeien in de gel (zie kader: volumetrisch 3D-printen). Levato: ‘Dankzij deze techniek kunnen we verschillende structuren printen, zoals mini-levers en stukjes pancreas. Die gebruiken we om te bestuderen hoe dit soort weefsels reageren op verschillende medicijnen. Dat helpt dierproeven en dure klinische proeven verminderen, aangezien we hiermee in het lab al het merendeel van niet-werkende medicijnen kunnen uitsluiten.’

Ook de Technische Universiteit Eindhoven presenteerde afgelopen januari een nieuwe techniek – Xolografie (met hoofdletter omdat het een merknaam is) – die complexe biologische structuren met hoge resolutie weet te printen (Advanced Materials, 2025) (zie kader: Xolografie). Biomedisch ingenieur Miguel Dias Castilho, groepsleider achter het onderzoek, gebruikt de techniek om zogeheten scaffolds te printen. ‘Dat zijn structuren waarin cellen zich kunnen nestelen en delen’, legt Dias Castilho uit. ‘Na een transplantatie in het lichaam zouden de scaffolds kunnen dienen als letterlijke steiger om weefsels te helpen met groeien.’

Het klinkt alsof men dankzij deze doorbraken slechts een paar stappen verwijderd is van het printen van volledig werkende organen, maar Malda weet wel anders. ‘Het printen van cellen in de vorm van een orgaan is al een tijdje mogelijk, maar daarmee heeft het nog geen functionaliteit. Je kunt wel een hart printen, maar er zit geen knopje op waardoor het gaat kloppen.’ Juist die functionaliteit vormt de grote uitdaging voor de toekomst van bioprinten, ziet ook Levato: ‘Voor een werkend weefsel moeten cellen niet enkel in de juiste positie zitten, maar is het ook nodig dat ze met elkaar kunnen communiceren. Deze celcommunicatie ontstaat pas na het printen. Om vooruitgang te boeken moeten we dus niet enkel op de techniek focussen, maar ook op de biologie.’

Een versimpelde 3D-weergave van de volumetrische printer. Illustratie: S. Florczak, Levato Lab, UMC Utrecht and Utrecht University

Om de communicatie tussen de cellen te verbeteren, werkt Levato momenteel aan het verfijnen van de materialen waar ze mee printen. ‘De moleculen die in de gel zitten zijn zeer bepalend voor hoe de cellen reageren’, vertelt Levato. ‘In ons huidige onderzoek proberen we een gradiënt te ontwikkelen aan moleculen in de gel om cellen zo te sturen.’ Ook Dias Castilho bestudeert hoe de functie van cellen te beïnvloeden is. Dat doet hij door verschillende scaffolds met diverse vormen te ontwerpen. ‘We onderzoeken hoe mechanische krachten en de geometrie van de steiger stamcellen kunnen sturen om te differentiëren naar weefselspecifieke cellen’, legt hij uit. ‘Hierbij focussen we met name op bot- en spierweefsel, omdat deze cellen zeer gevoelig zijn voor mechanische krachten.’

Brandwonden
Dat volledig werkende organen voorlopig nog niet uit de printer rollen, betekent niet dat bioprinters nog geen praktische resultaten weten te bereiken. Zo lopen in Frankrijk momenteel de eerste menselijke klinische proeven voor de transplantatie van biogeprinte huid bij patiënten met ernstige brandwonden. Daarnaast ontving een Amerikaanse patiënt in 2022 een transplantatie van een geprint oor, gemaakt uit haar eigen kraakbeencellen. ‘Al heeft zo’n oor ondanks de hoge functionaliteit wel een relatief lage complexiteit’, vertelt Malda. ‘Er zitten bijvoorbeeld geen bloedvaten in. Door die eenvoudigheid wordt kraakbeen momenteel als veelbelovend materiaal gezien om structuren mee te printen.’

Een afbeelding van een stukje pancreasweefsel, geprint met de volumetrische printer. Foto: E. Cohas

Levato ziet dat de focus in het onderzoeksveld momenteel niet ligt op het printen van gehele organen, maar op delen ervan. Levato: ‘Hoe groter het orgaan, hoe exponentieel complexer het zal zijn om dit te printen. Ik voorzie dat we in de toekomst eerder stukken weefsel zullen printen die een enkele functie overnemen van een orgaan, zoals het reguleren van glucose in de pancreas door te helpen met de aanmaak van insuline.’ Ook Dias Castilho betwijfelt of we in de komende tijd kloppende harten of werkende nieren uit de printer moeten verwachten. ‘Al vind ik het hebben van een dergelijk moonshot -doel wel iets moois hebben’, zegt hij. ‘Daarnaast geloof ik dat onze huidige scaffolds al een heel eind kunnen komen met het verbeteren van therapieën. Als ons werk tot nieuwe strategieën zou leiden om patiënten met spierziektes te behandelen, doordat we beter begrijpen hoe cellen op hun omgeving reageren, zou dat voor mij al meer dan mooi genoeg zijn.’

Volumetrisch 3D-printen
Hoewel volumetrisch 3D-printen oorspronkelijk bedacht is voor plastics en niet-biologische materialen, ontwikkelden Riccardo Levato en zijn collega’s deze techniek in 2019 verder uit om levende cellen te printen. Ze gebruiken de techniek om mini-organen te groeien in een reageerbuis met gelatine. Deze gel, afgeleid van collageen uit het lichaam, hardt uit als het beschenen wordt door specifieke lichtstralen van een laser. Om cellen vast te zetten op de gewenste plek is het dus van belang om de gel op de juiste plekken te belichten. Dit doen de onderzoekers door de reageerbuis tijdens de belichting rond te laten draaien. ‘We projecteren honderden verschillende 2D-scans van het mini-orgaan uit verschillende hoeken op de gel om een 3D-object te maken’, legt Levato uit. Hierbij zitten de cellen in de weg van het licht. Dat lossen de onderzoekers op met het stofje iodixanol, wat de cellen tijdelijk doorzichtig maakt en niet schadelijk voor ze is. Door de gel die uiteindelijk niet gereageerd heeft weg te spoelen, blijft enkel de geprinte structuur over. Om complexe mini-organen te printen die uit meerdere weefsels bestaan, combineren de onderzoekers hun techniek met extrusie – de ‘traditionele’ 3D-printtechniek die onder andere plastic voorwerpen print door ze laagje voor laagje op te bouwen. ‘We beginnen bijvoorbeeld eerst met extrusie om een ring van cellen te printen, waarbij we verschillende buisjes met cellen snel en efficiënt kunnen omwisselen. Vervolgens gebruiken we volumetrisch 3D-printen om hier bloedvaten uit een ander celtype om- en doorheen te printen, en het weefsel een uiteindelijke vorm te geven.’

Xolografie
Miguel Dias Castilho gebruikt Xolografie om scaffolds te bouwen voor cellen. Deze techniek is bedacht door twee Duitse onderzoekers die hun eigen spin-off bedrijf Xolo oprichtten. Toen Xolo vier jaar geleden op zoek ging naar een mogelijkheid om hun techniek toe te passen op het printen van complexe biologische structuren, besloot Dias Castilho om met ze samen te werken. Net als volumetrisch 3D-printen projecteert Xolografie 2D-lichtprojecties van de gewenste printstructuur op de gel om deze uit te harden. Het hoofdverschil tussen de twee technieken is dat Xolografie niet een maar twee lichtbronnen gebruikt, namelijk uv-licht en zichtbaar licht. Het uv-licht ‘activeert’ de gel, waarna deze ontvankelijk is voor projecties van zichtbaar licht die de gel uitharden. Enkel waar de twee lichtbronnen in de gel samenkomen wordt de gewenste structuur geprint. Hiermee kan de techniek grote volumes printen met een hoge resolutie in slechts enkele minuten. Met een resolutie van 20 micrometer hoopt Dias Castilho constructies te bouwen met de juiste geometrie die in het lichaam endogene cellen aan kunnen trekken. Het idee is dat cellen zich straks na een transplantatie in de scaffold kunnen nestelen om daar te delen. Tijdens het groeien zouden de cellen de scaffold langzaam opeten, zodat uiteindelijk enkel een gezond weefsel overblijft. ‘Om dit doel te bereiken zoeken we nu eerst in het lab naar welke mechanische signalen nodig zijn om dit proces in vivo te versnellen.’