Ga verder na de inhoud
Kunstgewrichten komen tot leven
Onderzoek

Kunstgewrichten komen tot leven

In de toekomst wordt de prothese voor een nieuwe knie niet meer van metaal gemaakt, maar ge-3D-print met biologisch materiaal.

6 minuten
16 december 2020

Een levend implantaat kweken lijkt futuristisch, maar in het lab lukt het al. ‘Weefselingenieurs’ kunnen met levende cellen miniweefsels maken. Die brengen ze vervolgens samen in de vorm van een stukje ontbrekend bot of kraakbeen. De volgende stap is zo’n biologische prothese op industriële schaal uit de 3D-printer laten rollen.

Als je een bot breekt, komt het meestal wel goed: ons lichaam kan heel wat aan en herstelt zichzelf vaak. Maar soms lukt dat niet. Bijvoorbeeld bij kankerpatiënten die door een tumor een groot stuk bot zijn kwijtgespeeld of bij mensen met ernstige problemen in het kraakbeen van de knie. In die gevallen wordt een kunstprothese geplaatst.

Met zo’n kunstprothese valt perfect te leven, al is het niet voor elke patiënt de ideale oplossing. Een prothese van metaal of plastic gaat maar 15 à 20 jaar mee. Een jongere patiënt moet dus om de zoveel jaar weer onder het mes voor een nieuw reserveonderdeel. Voor kinderen is een prothese geen optie. Omdat ze nog volop groeien, zouden de opeenvolgende operaties om steeds grotere versies te plaatsen niet bij te houden zijn.

Levende prothese

Wat als we levende protheses zouden kunnen maken die gewoon onderdeel van ons lichaam worden en kunnen meegroeien? Het interdisciplinaire Prometheus-platform is een divisie van Leuven Research & Development die al jaren werkt aan botherstel en precies dat als doel heeft: een levend implantaat ontwikkelen.

Professor Liesbet Geris is wetenschappelijk coördinator bij Prometheus en samen met haar collega’s leidt ze er een heel divers team van ingenieurs, artsen en biomedische wetenschappers. Die zoeken uit hoe we de klassieke titanium bol kunnen vervangen door een stukje levend weefsel dat perfect past en integreert in een bot.

De natuur biedt de ‘weefselingenieurs’ daarbij inspiratie: botweefsel bestaat uit cellen, kalk, vezels en groeifactoren. Groeifactoren zijn eiwitten die ervoor zorgen dat cellen delen – en dat er dus groei is – en kunnen cellen van functie doen veranderen. Zo kan een stamcel bijvoorbeeld een botcel worden. “Het idee ontstond om dat botweefsel na te bouwen met groeifactoren als chemische stimulans om weefsel te laten groeien, in een proefbuis of in het menselijk lichaam zelf.”

In de toekomst hopen de onderzoekers de productie van biologisch botweefsel te automatiseren: met snelle robots en 3D-printers in plaats van met laboranten en kweekschaaltjes.

Recept

En daarmee was het recept voor biologisch botweefsel bekend: men neemt cellen uit het beenvlies van de patiënt, vermenigvuldigt ze in het labo en voegt er groeifactoren aan toe. Dat alles zet men op een draagstructuur met kalk en vezels.

“Dat biologisch botweefsel bevat veel cellen die we manueel moeten kweken: zeer arbeidsintensief en duur. Bovendien bestaat de kans dat het mislukt: als er een slechte doorbloeding is in het implantaat, kunnen de cellen afsterven nog voor ze bot produceren.”

Om dat manco te verhelpen gingen de onderzoekers opnieuw te rade bij moeder natuur. “Als we kijken naar hoe bot gevormd wordt in de embryonale fase en hoe een botbreuk spontaan geneest, dan zien we dat er eerst kraakbeen gevormd wordt, dat later wordt omgezet naar bot”, legt Geris uit. “Een belangrijke eerste stap daarbij is dat cellen samenklitten en groepjes vormen.”

Botweefsel DSCN0224s web

Organoïde

Dat inzicht leidde tot een nieuwe strategie voor de tweede generatie biologisch botweefsel: startende van de cellen van een patiënt worden eerst kleine celbolletjes geproduceerd. Die kweekt men, met groeifactoren, tot ze transformeren in kraakbeenbolletjes en uiteindelijk stukjes microweefsel vormen. “Je krijgt een organoïde: een 3D-structuur van menselijke celletjes in een kweekschaaltje. Die organoïdes assembleren we vervolgens laag per laag in een mal tot ze de vorm krijgen van het ontbrekende stuk bot.”

Die nieuwe techniek is veelbelovend: “Als we bij een muis met een groot botdefect zo’n implantaat van ongeveer 2.000 organoïdes plaatsen, dan kunnen we het defect overbruggen.” Het stukje weefsel gedraagt zich zoals in de natuur: het groeit op zes tot acht weken uit tot een perfect geïntegreerd stukje botweefsel in de juiste vorm. Een muis heeft uiteraard kleine botjes in vergelijking met mensen. “We onderzoeken nu hoe we grotere weefselstukken van bijvoorbeeld een miljoen organoïdes kunnen maken.”

Overlevingskans

De nieuwe generatie van levende implantaten biedt verschillende voordelen: “We vertrekken van kraakbeenbolletjes en kraakbeen is beter bestand tegen slechte doorbloeding. Dat geeft het implantaat een betere overlevingskans. En met deze techniek hebben we nu de bouwsteentjes om zowel botproblemen als problemen van kraakbeen én bot op te lossen.”

Nu is het nog zaak om levende implantaten op industriële schaal te produceren. Daarvoor experimenteren de onderzoekers met bioprinters: 3D-printers die met biologische inkt werken. Biologische inkt wordt gevormd door een combinatie van levende cellen, groeifactoren en hydrogel. Die hydrogel bestaat uit eiwitten die veel water vasthouden. Het materiaal dient als een zachte draagstructuur voor de andere ingrediënten van de inkt. Het ontwerp van het implantaat is perfect op maat van het botdefect. De printkop van de bioprinter spuit de inkt in laagjes in de vereiste vorm.

We willen uittesten of kinderen met neurofibromatose type 1 geholpen kunnen worden met een levend implantaat. Qua levenskwaliteit zou dat een groot verschil uitmaken.

Kaas met gaatjes

En dan komt er een stukje weefsel uit de printer: een buisje dat eruitziet als kaas met gaatjes, zeg maar. “We bootsen de binnenkant van bot na dat uit een sponsachtig weefsel bestaat, flexibel en toch sterk.” Al zijn er nog uitdagingen: “De printkop is heel belangrijk, want de biologische inkt mag niet beschadigd raken. Als de cellen in de inkt te veel samengedrukt of uitgerekt worden, sterven ze af.” Als de technische problemen opgelost raken, hopen de onderzoekers de productie van biologisch botweefsel in de toekomst zo te automatiseren: met snelle robots en 3D-printers in plaats van met laboranten en kweekschaaltjes.

Toch hoeven we niet te verwachten dat levende implantaten kunstprotheses helemaal zullen vervangen. Dat heeft te maken met het hoge prijskaartje van een bio-implantaat. “Momenteel kost dat toch al snel enkele 10.000’en euro. We zullen moeten afwegen voor welke patiënten de kosten opwegen tegen de voordelen. Als iemand van 70 een heup breekt, kunnen we beter een gewoon kunstgewricht blijven gebruiken, omdat een snellere revalidatie primeert. En dat kan voorlopig enkel met metalen protheses.”

Neurofibromatose

Geris hoopt wel dat levende implantaten over een paar jaar een oplossing kunnen brengen voor kinderen met neurofibromatose type 1. Dat is een zeldzame genetische aandoening waardoor de kinderen soms op heel jonge leeftijd een spontane breuk in een bot krijgen. “Die breuk geneest niet meer. Omdat kunstprotheses geen optie zijn bij kinderen, behandelt men nu door het nog bestaande bot uit te rekken over de breuk, een procedure die erg tijdrovend en vaak ook pijnlijk is. We willen uittesten of deze kinderen geholpen kunnen worden met een levend implantaat. Qua levenskwaliteit zou dat voor die kinderen een groot verschil uitmaken.”

Geris en haar team werken op bot en kraakbeen. Maar wat met andere organen? Vermits er niet genoeg donoren zijn om aan de vraag te voldoen, zouden ge-3D-printe organen welkom zijn. “Deze techniek wordt al gebruikt bij huidtransplantaties, daar staat men al behoorlijk ver. Maar geprinte grote organen zullen nog even op zich laten wachten: daar speelt onder meer de doorbloeding nog een veel crucialere rol. Het is één ding om weefsel te printen, het moet ook nog leven.”

Heeft dit onderzoek je nieuwsgierig gemaakt naar meer?

Ontdek ons onderzoek en opleidingen.