Tissue Engineering
1. Inleiding
In dit arrangement staat achtergrondinformatie bij de lessenserie over tissue engineering. Ook vind je hier een omschrijving van de opdrachten.
2. Wat is tissue engineering?
Stel je voor: op een zomerse avond ben je aan het barbecueën met vrienden. Jullie willen de barbecue wat beter laten branden en daarom gooit een vriend wat spiritus op de gloeiende kolen (jijzelf zou zoiets onverstandigs natuurlijk nooit doen!). Een grote steekvlam is het gevolg, en het avondje barbecueën eindigt in het ziekenhuis om de brandwonden bij je vriend te laten behandelen.
Door de brandwonden is de huid zwaar beschadigd. Artsen kunnen verschillende dingen doen om het weefsel te herstellen. De geneeskunde die zich bezighoudt met het laten hergroeien van weefsel van dezelfde patiënt, wordt regeneratieve geneeskunde genoemd. Er bestaan verschillende vormen van regeneratieve geneeskunde (Figuur 1).
Een eerste vorm van regeneratieve geneeskunde is celtherapie, hierbij worden stamcellen in het lichaam geïmplanteerd, om herstel in het lichaam zelf te stimuleren. Een tweede vorm is inductie van weefselgeneratie, waarbij het lichaam wordt gestimuleerd om nieuw weefsel aan te maken. De derde vorm is tissue engineering (weefselregeneratie), hierbij worden cellen uit het lichaam genomen en in een laboratorium moet hieruit weefsel groeien. Bij alle drie vormen van regeneratieve geneeskunde is het doel om beschadigd weefsel te herstellen. In deze lessenserie besteden we verder alleen aandacht aan tissue engineering.
Tissue engineering is een interdisciplinair vakgebied, verschillende vakgebieden worden gecombineerd. In Tabel 1 staat een overzicht van de vakken die van belang zijn bij tissue engineering. In hoofdstukken 5.1 en 6 worden toepassingen van scheikunde en natuurkunde besproken. Tijdens de excursie kun je zien hoe modellen en wiskunde worden gebruikt bij tissue engineering.
3. Waarom tissue engineering?
Tissue engineering kan worden gebruikt om ziek, ontbrekend of beschadigd weefsel te vervangen. Dit is een relatief nieuwe techniek, die waarschijnlijk geleidelijk andere technieken kan vervangen. Die andere technieken (en hun nadelen) zullen hier kort besproken worden.
3.1 Synthetisch materiaal
Soms kan een beschadigd orgaan of weefsel worden vervangen door een synthetisch materiaal. Een voorbeeld hiervan is een kunstgewricht, dat gebruikt kan worden bij heupen, knieën of polsen. Een kunstheup gaat ongeveer 15 jaar mee. Daarna kan botverlies ontstaan of kunnen irritaties ontstaan door afstotingsverschijnselen, beide situaties zijn pijnlijk. Een kunstheup is dus een tijdelijke oplossing.
3.2 Transplantatie
Een andere manier om beschadigde organen te vervangen is transplantatie van een orgaan van een donor. Orgaandonatie kan onder andere bij hart, lever, longen en nieren. Ook weefsels kunnen getransplanteerd worden, voorbeelden zijn huid en hoornvlies (in het oog).
De vraag naar organen en weefsels van donoren is groter dan het aanbod. Er is dus een tekort aan donors. Bovendien moeten bloedgroep en de humaan leukocytenantigenen (bepaalde antigenen die in weefsels voorkomen) van de donor en de ontvanger overeenkomen. Het gevolg hiervan is een moeilijke selectie van de donororganen. Daarnaast is er een kans dat een nieuw, lichaamsvreemd, orgaan wordt afgestoten door de ontvanger. Om afstoting te voorkomen, moet de patiënt veel medicijnen gebruiken.
3.3 Opkomst van tissue engineering
Bij tissue engineering worden lichaamseigen cellen gebruikt, waardoor de kans op afstoten kleiner is dan bij een prothese of een orgaan van een donor. Weefsels worden buiten het lichaam gemaakt. Deze weefsels kunnen worden gebruikt om nieuwe medicijnen te testen op hun werking en mogelijke bijwerkingen. Hierdoor zullen steeds minder proefdieren nodig zijn.
Sinds begin jaren ’90 is het vakgebied tissue engineering sterk ontwikkeld. Het wordt echter nog niet op grote schaal toegepast in de geneeskunde. Dit komt onder andere doordat er nog steeds grote wetenschappelijke uitdagingen zijn in het interdisciplinaire vakgebied. Een andere reden is dat er strenge regelgeving is rond onderzoek bij tissue engineering. Enkele ethische aspecten van tissue engineering worden in hoofdstuk 8 behandeld.
4. Tissue engineering in het kort
Hiervoor heb je kunnen lezen waarvoor tissue engineering gebruikt kan worden, maar nog niet wat het precies inhoudt. Dat wordt in deze paragraaf beschr
even.
Bij tissue engineering worden cellen uit het lichaam gehaald, om in het laboratorium een weefsel te laten groeien. Wat is een weefsel eigenlijk?
4.1 Weefsel
Weefsel bestaat uit cellen en een extracellulaire matrix (ECM). Verschillende weefsels en organen ontstaan door verschillen in samenstelling en de driedimensionale organisatie. Weefsels bestaan uit gedifferentieerde cellen, dit zijn cellen die zijn ontwikkeld tot een bepaald type cel. Gedifferentieerde cellen hebben een bepaalde functie, die bij het weefsel hoort. Verschillende weefsels kunnen ontstaan door celgroei en celdifferentiatie, onder invloed van biochemische en mechanische factoren (deze factoren worden in hoofdstuk 6 besproken).
4.1.1 Stamcellen en celdifferentiatie
De biologische functie van een weefsel wordt bepaald door de cellen, de interacties tussen de cellen en de interacties tussen de cellen en de matrix. De interacties kunnen ontstaan door direct onderling contact, maar ook op afstand door gebruik van signaalmoleculen. Verschillende types weefsel kunnen vanuit stamcellen ontstaan tijdens de embryonale ontwikkeling (Figuur 4). Stamcellen kunnen zichzelf steeds vernieuwen en kunnen differentiëren in verschillende celtypen.
Een stamcel is een cel die zichzelf kan delen en daarnaast nog in staat is om uit te groeien (te differentiëren) tot één of meer gespecialiseerde celtypes. De ultieme stamcel is totipotent. Denk maar aan de bevruchte eicel die in staat is uit te groeien tot een volledig individu. Ook de cellen van een achtcellig embryo zijn nog totipotent. Bij een splitsing van dit embryo kan elk deel uitgroeien tot een volledige mens; je krijgt een eeneiige tweeling.
Na dit achtcellig stadium beginnen de totipotente cellen zich te specialiseren. Ongeveer vier dagen na de bevruchting vormt er zich een blastocyst: een buitenste laag cellen met een aantal cellen binnenin. Deze laatste cellen kunnen uitgroeien tot bijna alle celtypes: ze zijn pluripotent. Als ze in kweek worden gebracht, noemen we ze embryonale stamcellen (ES-cellen).
Multipotente stamcellen kunnen differentiëren tot de verschillende celtypes die in één specifiek weefsel voorkomen. Ze moeten de cellen in darmen, lever, huid, spieren, bloedvaten of hersenen hernieuwen. Het beenmerg bevat bijvoorbeeld multipotente stamcellen die elke dag opnieuw instaan voor de productie van ongeveer 200 miljard rode bloedcellen, 200 miljard bloedplaatjes en 60 miljard witte bloedcellen.
Orgaanspecifieke stamcellen, zoals die van het hoornvlies, kunnen zich slechts ontwikkelen tot één celtype. Deze cellen zijn unipotent. Naast stamcellen bestaan er ook voorlopercellen. Ze zijn verder gedifferentieerd en kunnen zich nog delen, maar bevatten nog niet alle eigenschappen van de te vormen gerijpte cel. Ook al zijn dit geen echte stamcellen meer, toch bieden voorlopercellen potentieel voor celtransplantatie, omdat ze zich - in tegenstelling tot volledig gedifferentieerde cellen - nog kunnen delen.
Tijdens de excursie op het laboratorium van Tissue Engineering op de TU/e zal je alleen weefsels zien die uit al gedifferentieerde cellen gevormd worden. Stamcellen worden hier niet gebruikt.
4.1.2 De extracellulaire matrix (de ECM)
De cellen in een weefsel worden bijeengehouden door de extracellulaire matrix. Deze matrix bestaat uit een netwerk van polysacchariden en verschillende eiwitketens, zoals collageen en elastine. De matrix is het dragermateriaal voor de cellen en geeft het weefsel structuur. Daarnaast is de matrix belangrijk voor de mechanische functie van het weefsel. Als de matrix uit collageen bestaat, is het weefsel stug en heeft het een grote treksterkte en groot draagvermogen. Een matrix van elastine daarentegen, is elastisch en geeft een weefsel veerkracht. In Figuur 5 is een weefsel te zien met zowel collageen als elastine.
In Figuur 5 zie je ook fibroblastcellen. Dit zijn cellen die de eiwitten voor de matrix produceren (onder ander collageen dus). De fibroblast produceert ook enzymen die de matrix juist afbreken, en stoffen die de opbouw en afbraak reguleren.
De vezels van de matrix zijn gerangschikt, de manier waarop ze gerangschikt zijn is afhankelijk van het soort weefsel. In Figuur 6 zie je dat heel veel collageenvezels, in de lengte gerangschikt, een pees kunnen vormen. Een pees is de verbinding tussen een spier en bot, de treksterkte moet dus groot zijn. Voor een grote treksterkte is collageenvezel geschikt.
In Figuur 7 zie je een matrix van vezels van elastine. In ontspannen toestand van het weefsel (boven) zijn de elastinevezels opgerold. Als het weefsel wordt uitgerekt (onder), worden de vezels uitgerold. Let erop dat de vezels met elkaar verbonden zijn door ‘crosslinks’.
De organisatie van de vezels in de draagstructuur wordt bepaald door de omstandigheden waarin het weefsel zich bevindt. Dit wordt gebruikt bij een bioreactor waarin een weefsel in het laboratorium groeit. Hier komen we in hoofdstuk 7 op terug.
4.2 Stappen in tissue engineering
Nu je weet wat een weefsel eigenlijk is, kunnen we uitleggen welke stappen moeten worden gezet om weefsel in het laboratorium te maken (zie ook Figuur 8).
Ten eerste heb je cellen nodig. Bij tissue engineering worden lichaamseigen cellen gebruikt. Er wordt een stukje weefsel weggenomen bij de patiënt zelf. Vervolgens moeten de cellen die nodig zijn uit het weefsel worden gehaald. De cellen zijn er nu, nu nog de draagstructuur om een weefsel te kunnen vormen. De draagstructuur wordt ook wel scaffold genoemd, scaffold betekent letterlijk steiger. In Figuur 9 zie je een draagstructuur voor elastisch weefsel voor het hart. Het scaffold wordt gevormd in de gewenste vorm: voor een bloedvat als een cilinder. De cellen worden op het scaffold geplaatst. Vervolgens wordt het scaffold met de cellen in een bioreactor gezet. In de bioreactor zijn de omstandigheden optimaal voor de groei van het weefsel. Denk hierbij aan temperatuur, voeding, mechanische belasting, enzovoort. Voor verschillende weefsels is dus een verschillende bioreactor nodig. Tijdens de excursie zal je enkele verschillende bioreactors zien. ls het weefsel op de juiste manier is gegroeid, kan het in het lichaam worden geplaatst.
5. Draagstructuur
Draagstructuren (scaffolds) zijn de bouwstenen bij tissue engineering, hierop worden de cellen gezaaid, om later terug in het lichaam te plaatsen.
5.1 Materiaalkeuze 
De materialen voor de draagstructuur moeten aan een aantal eisen voldoen. Ten eerste moeten ze biocompatibel zijn. Dit wil zeggen dat het materiaal niet word afgestoten door het menselijk lichaam zelf. Bij afstoting "bouwt" het lichaam zelf een soort cocon om het materiaal, zodat het niet meer wordt gevoed door het lichaam. Bepaalde metalen, zoals titanium, zijn biocompatibel. Stel je eens voor dat je met de fiets een ongeluk krijgt met een rijdende auto. Dit kan een flinke smak geven, waardoor je bovenbeen is verbrijzeld. Dit is vervelend, want op dit moment kunnen ze nog geen heel nieuw bovenbeen maken bij tissue engineering. Wat nu wel kan, is een metalen pin als draagstructuur gebruiken die de stevigheid biedt voor het bot dat er omheen kan groeien. Dit is een voorbeeld hoe je metaal goed kan gebruiken als draagstructuur, maar er zijn ook andere materialen hiervoor goed geschikt, bijvoorbeeld keramiek.
Een ander voorbeeld is dat je met een aantal vrienden gaat voetballen. Heel leuk, maar net het moment dat jij wilt schieten, botst je tegenstander tegen je been. Aangekomen bij de dokter legt hij je uit dat je je meniscus hebt gescheurd (de meniscus is een schijfje kraakbeen in de knie). Flink balen natuurlijk. Om dit te kunnen genezen met tissue engineering heb je een draagstructuur nodig die, naast biocompatibel, bioresorbeerbaar moet zijn. Dit betekent dat het materiaal uiteindelijk helemaal oplost in het lichaam. Het gekweekte weefsel moet helemaal het originele weefsel vervangen, er mogen geen sporen van een ander materiaal in je meniscus overblijven. Metaal en keramiek zijn beide niet bioresorbeerbaar, daarom moeten we op zoek naar andere materialen, zoals polymeren.
Een polymeer is een verbinding die uit een lange reeks van bouwstenen van dezelfde soort moleculen bestaat. Deze bouwstenen worden repeterende eenheden of monomeren genoemd. Door zowel het type als het aantal monomeren te veranderen, kun je polymeren met zeer verschillende eigenschappen maken.
Bepaalde polymeren zijn zowel biocompatibel als bioresorbeerbaar. Daarnaast heeft je meniscus nog een typische bouw. Hiermee wordt bedoeld dat het dezelfde afmetingen (vorm en grootte) moet hebben als jouw eigen meniscus. In Figuur 11 zie je een meniscus die met behulp van tissue engineering is gemaakt.
Er is nu voldaan aan de drie bovengenoemde aspecten: het materiaal is biocompatibel, bioresorbeerbaar en heeft een typische bouw. Helaas is dit nog steeds niet voldoende, want we hebben nog geen rekening gehouden met de mechanische aspecten van de meniscus. Met het buigen van je knie, moet je met de meniscus de krachten kunnen verdelen van je dijbeen op het scheenbeen. Daarnaast moet je meniscus stevig genoeg zijn om niet weggedrukt te worden door je dijbeen bij het lopen of stilstaan (door zwaartekracht). In hoofdstuk 6 gaan we dieper in op krachten die bij tissue engineering komen kijken.
5.2 Architectuur van de draagstructuur 
De architectuur van de draagstructuur is erg belangrijk. Omdat de draagstructuur in de loop van de tijd afgebroken wordt, moeten de cellen ook binnenin de draagstructuur kunnen komen. Dit kan door een draagstructuur met poriën te gebruiken. Poriën zijn kleine holtes in de draagstructuur waarin de cellen zich kunnen nestelen. De grootte van de poriën is van belang, omdat de poriën plaats moeten bieden aan de gekweekte cellen die zich er op vasthechten. Deze cellen moeten ook van voedingstoffen worden voorzien, daarom moeten de poriën groot genoeg zijn. Typische grootte van deze poriën is tussen de 20 en 200 μm, dat is ongeveer de dikte van een mensenhaar (Figuur 12).
5.3 Cellen aanbrengen
De cellen worden op het oppervlak van een draagstructuur aangebracht, waarna ze de poriën in kunnen migreren (Figuur 13). Er is een draagstructuur nodig van een biomateriaal waar de cellen zich aan kunnen hechten. Vaak zal dit betekenen dat de draagstructuur positieve of negatieve ladingen bevat waaraan de cellen zullen binden. Er kan een ionbinding of waterstofbrug worden gevormd.
Een andere manier om cellen aan te brengen, is de cellen als het ware te vangen in een draagstructuur. Hierbij start je met een oplossing met cellen, je voegt hieraan chemicaliën toe waardoor gelvorming optreedt en de cellen ingesloten worden (Figuur 14).
6. Mechanische aspecten
Mechanische aspecten zijn al een paar keer genoemd, maar waarom zijn die nu zo belangrijk? Je hebt misschien wel een familielid of kennis die last heeft van hart- en vaatziekten. Deze ziekte is momenteel doodsoorzaak nummer 1 binnen de westerse wereld. Daarom zou tissue engineering juist hier een uitkomst kunnen bieden. Dat is helaas niet zo makkelijk als gedacht. Het grootste probleem is dat een hartklep, die aan alle hierboven genoemde eisen voldeed, toch faalde bij proefdieren. Om er achter te komen wat hiervan precies de oorzaak is, moeten we eerst weten aan welke eisen een hart en een bloedvat moeten voldoen.
Laten we eerst eens kijken wat het hart nu precies is. Het hart is een holle spier dat door zich samen te trekken bloed door het lichaam pompt. Hierdoor gaat het bloed door je lichaam stromen. De hartkleppen zorgen ervoor dat tijdens het samentrekken van het hart het bloed doorgelaten wordt naar de slagaders. Daarnaast moeten de hartkleppen ervoor zorgen dat het bloed niet terug stroomt van de slagader naar het hart, als het hart weer opnieuw gevuld moet worden met "vers" bloed. Beide functies van hartkleppen zijn getekend in Figuur 15. In deze figuur stelt de hand de hartspier voor, de ballon is de holle ruimte van het hart en de hartkleppen zijn aangegeven met "A".
Hartkleppen hebben geen spierweefsel en bewegen niet uit zichzelf. Ze openen en sluiten zich door drukverschillen in de bloedstroom, die ontstaan door het afwisselend samentrekken en ontspannen van het hart. Als het hart zich samentrekt, wordt de druk hoger en sluit de ene klep terwijl de andere zich opent. Daardoor stroomt het bloed aan de juiste kant het hart uit. Als het hart zich ontspant, wordt de druk lager en kunnen de holtes in het hart zich weer vullen met bloed, dat aan de andere kant binnenstroomt.
Hartkleppen moeten jaarlijks ongeveer 30 miljoen keer open en dicht gaan, en dat een heel leven lang. Om te testen of de gemaakte hartkleppen dit aan kunnen, moet een machine gebouwd worden die de omstandigheden in het lichaam nabootst (ongeveer 1 keer per seconde open en dicht gaan van de hartkleppen, met de bijbehorende bloeddruk). Al snel kwam men er achter dat mechanische stimulering tijdens de weefselkweek heel belangrijk is. Er werd een extra matrix gemonteerd in de bestaande matrix en de kweek werd voortaan in een speciaal soort machine gezet, zodat de cellen meteen al konden "wennen" aan de krachten die ze uiteindelijk moeten ondervinden. Als de cellen pas gezaaid zijn op de draagstructuur, kunnen de cellen niet meteen alle krachten aan. Immers, deze cellen moeten eerst vermeerderen om de hele draagstructuur te ommantelen. Als het aantal cellen toeneemt, moet ook de kracht, uitgeoefend in de machine, toenemen. Een machine die dit allemaal regelt, noe
men we een bioreactor.
7. Bioreactor
Een bioreactor is een machine die een deel van een lichaam nabootst (Figuur 17), waar het weefsel dat je wil maken in voorkomt. Voor verschillende weefsels moeten dus verschillende bioreactoren gemaakt worden.
Bijvoorbeeld, om een bloedvat te maken, wordt de draagstructuur (met de gezaaide cellen) rond een buisje geplaatst. Om te simuleren dat bloed door dit nieuwe bloedvat gepulseerd wordt, is het buisje aangesloten op een pompje dat het hart nabootst. Het bloedvat staat dus onder wisselende druk. Een ander voorbeeld is het maken van longweefsel, hierbij is het juist van belang dat de longcellen flink kunnen oprekken en weer samen moeten kunnen trekken. Elk weefseltype heeft dus zijn eigen bioreactor nodig.
Om het weefsel optimaal te laten groeien, wordt de bioreactor in een incubator gezet (Figuur 18). Een incubator is een machine die ervoor zorgt dat de omstandigheden van het weefsel hetzelfde zijn als in het lichaam. De omstandigheden die van belang zijn, zijn de temperatuur, pH waarde, en de concentratie van voedingsstoffen, zuurstof en koolstofdioxide.
8. Ethische aspecten
Ethiek is een onderdeel van filosofie, waarin wordt nagedacht over goed en fout handelen. Dit kan ook op tissue engineering worden toegepast.
Voordat tissue engineering wordt toegepast bij de mens, wordt het eerst getest op dieren. In Nederland werden in 2009 ruim een half miljoen dieren gebruikt voor dierproeven voor tissue engineering. Niet allen proefdieren kun je goed met de mens vergelijken, dus hoe kiest men nu een geschikt proefdier? Hierin zijn een aantal factoren van belang. Geld speelt natuurlijk altijd een grote rol. Je hoeft geen rekenwonder te zijn om te bedenken dat paarden dure proefdieren zijn. Ze nemen nogal wat meer ruimte in dan een muis of een konijn, ze eten meer en het duurt veel langer tot ze volwassen zijn.
Bij sommige problemen ontkom je toch niet aan een groter proefdier, bijvoorbeeld bij een hartklep. Schapen zijn voor dit soort onderzoek hét proefdier omdat ze een hartslag hebben tussen de 70 en 90 keer per minuut, net als de mens. Daarnaast hebben schapen relatief veel last van kalkvorming op hun hartkleppen. Als het implantaat in schapen niet leidt tot toegenomen verkalking, is de kans groot dat er wat dat betreft ook bij mensen geen problemen ontstaan.
Hieronder zie je een lijstje met ethische aspecten die spelen bij tissue engineering:
- Gebruik van humane embryonale stamcellen. Onderzoek op embryo’s wordt ook mogelijk als het ten goede komt aan andere embryo's en de wetenschap.
- Therapeutisch klonen. Bij therapeutisch klonen wordt met behulp van kerntransplantatie een embryo gekweekt dat genetisch identiek is aan de patiënt. Als het embryo ongeveer honderd cellen groot is worden stamcellen verwijderd en in kweek gebracht.
- Gebruik van dierlijk weefsel. Om tissue engineering te gebruiken op dieren en deze dierlijke weefsels te plaatsen in de mens.
- Doneren van lichaamscellen. Het vrijwillig afstaan van lichaamscellen en deze te kweken om hiermee andere patiënten te helpen.
- Vroeger ingrijpen bij aandoeningen. Bij een embryo al constateren of er bepaalde aandoeningen zijn. Mochten er weefsels zijn die bepaalde afwijkingen hebben, dan kunnen deze alvast gekweekt worden.
Opdrachten
Opdracht 1 - Maak een lever!
De lever is een belangrijk en veelzijdig orgaan in het menselijk lichaam. Het is op één na het meest actieve orgaan (na de huid) en het speelt een belangrijke rol in het metabolisme.
Opbouw
De lever is opgebouwd uit heel veel kleine kwabjes. Deze zijn ongeveer 1 mm in doorsnee en zij verwerken het bloed. Rondom elk kwabje liggen vertakkingen van de poortader, leverslagader en de galbuis. Een centraal adertje voert bloed terug naar het hart.
In elk kwabje vind een uitgebreide chemische reactie plaats. Via de poortader komt hier het bloed binnen dat vol zit met voedingsstoffen. Terwijl het bloed door de levercellen wordt verwerkt, stroomt het weer terug naar het centrale adertje en zo stroomt het bloed, ontdaan van zuurstof en voedingsstoffen, weer terug naar het hart. Bij de verwerking van het bloed komt gal vrij, dit wordt afgevoerd via de galbuis naar de galblaas.
Functie
De leverfunctie is op te delen in drie functies: als eerste kan de lever kan bijdragen aan het maken van rode bloedcellen. De lever produceert ook gal en slaat dit op in de galblaas. De meest bekende functie is natuurlijk de betrokkenheid bij de stofwisseling van lichaam. De lever verwerkt dus het bloed en haalt hierbij allerlei schadelijke stoffen uit het bloed. Alcohol is hier een bekend voorbeeld van, maar ook veel medicijnen worden door de lever onschadelijk gemaakt. Bij het vaststellen van de juiste dosis wordt dus ook rekening gehouden met de ontgiftende functie van de lever.
Leveraandoeningen
Er zijn tal van aandoeningen en ziektes die met de lever te maken hebben. In sommige gevallen kan een beschadigde lever zichzelf weer herstellen. Door deze unieke functie is het mogelijk dat wanneer er transplantatie nodig is, ook een deel van een lever getransplanteerd kan worden. Beide helften zullen uitgroeien tot een volledige lever. Er zijn echter ook veel ziektes waarbij de lever zichzelf niet kan herstellen, zoals cirrose (verschrompeling van de lever door littekenvorming) en hierbij is dus transplantatie nodig.
Opdracht
Zoals uit het stukje hierboven al blijkt, is de lever een zeer sterk doorbloed orgaan. Het verwerkt niet alleen de voedingsstoffen en gifstoffen uit het bloed, maar doordat het één van de meest actieve organen is in het menselijk lichaam (hierdoor houdt de lever trouwens het lichaam op temperatuur!) heeft het zelf ook veel zuurstof en voedingstoffen nodig om te kunnen blijven functioneren. Om een orgaan als dit te maken met tissue engineering, komt er dus nogal wat bij kijken. Daarom is het nog steeds niet mogelijk om een lever te ‘kweken’. Toch gaan jullie met je groepje hierover nadenken. Welke draagstructuur zou geschikt zijn? Welke soorten cellen zijn er nodig om de leverfunctie na te kunnen maken? Hoe zorg je ervoor dat er heel veel bloedvaatjes in het orgaan kunnen komen? Wat is er al geprobeerd met betrekking tot het tissue engineeren van een lever? Zoek extra informatie over de opbouw en functie van de lever en probeer antwoord te geven op de vragen hierboven. Presenteer je ideeën straks aan de rest met enkele powerpoint slides.
P.S. Er is geen goed of fout idee! De wetenschap is er ook nog niet uit, dus het gaat erom dat jullie creatief denken en bekijken wat er allemaal wel mogelijk is en hoe je al die zaken (ook al is het uit een ander vakgebied misschien) kan toepassen bij het maken van een lever.
Opdracht 2 - Bioreactor voor kruisbanden
Banden in je knie
In je knie zitten verschillende kruisbanden, de zogenaamde ligamenten. Ligamenten zijn platte of meer ronde bundels van bindweefsel. Bindweefsel komt in alle organen van het menselijk lichaam voor, het heeft een ondersteunende en verzorgende functie, het beschermt organen als het ware en bepaalt mede hun vorm.
Functie van kruisbanden en blessures
De ligamenten in de knie beschermen dus het kniegewricht en helpen bij de beweging van de knie. Er zijn verschillende ligamenten, ze zijn uitgespannen over de verschillende botten van het gewricht, of ze liggen erin ingebed. Ze verstevigen het kapsel rondom het kniegewricht en ze zorgen ervoor dat de knie geen rare bewegingen kan maken. Toch zijn knieblessures nog steeds ongeveer de meest voorkomende vorm van blessures bij sport en een groot deel hiervan betreft een blessure aan één van de kruisbanden in de knie. Door een abnormale draaiing van je knie, kan de kruisband afscheuren. Dit is niet meer te herstellen. De restanten van de kruisband zullen door het lichaam opgeruimd worden en je moet het dus daarna zonder kruisband stellen. Je knie heeft dan meer speling dan normaal en dus moeten de spieren rondom de knie extra getraind worden om de knie weer volledig te kunnen belasten.
Kruisband-herstel operatie
De kruisband kan echter ook middels een operatie hersteld worden. Op dit moment gebruikt de arts hier een stuk van je eigen kniepees voor. Peesweefsel lijkt op het bindweefsel waar de kruisband van gemaakt was, maar het is niet hetzelfde. Er volgt een zeer lang revalidatietraject waarin de nieuwe ‘kruisband’ getraind wordt om de functie van de oude kruisband over te nemen. Daarnaast wordt er ook littekenweefsel gevormd op de plek waar het stuk pees is weggehaald, ook dit speelt mee in de lange revalidatie.
Opdracht
Hoe mooi zou het zijn als je een kant en klare kruisband in je knie kan zetten als deze is afgescheurd? Geen ellenlange revalidatie, want je nieuwe kruisband kan alles wat je oude kruisband ook kon. Er hoeft niet gesneden te worden in de pezen van je knie, wat extra herstel oplevert. Een echte kruisband, gemaakt van je eigen cellen. Dat zou moeten kunnen met tissue engineering! Een kruisband is een relatief eenvoudig orgaan qua opbouw. Maar het moet wel het hele kniegewricht in bedwang houden. De omstandigheden waaronder de kruisband gekweekt wordt, zijn dus van zeer groot belang. Wat voor een bioreactor zou je hiervoor ontwerpen? Een kruisband moet grote trek- en draaikrachten kunnen weerstaan, dus er moet op één of andere manier kracht uitgeoefend worden op het weefsel, terwijl het gekweekt wordt. Hoe maak je daar een opstelling voor? En hoe zorg je dat het weefsel dan ook nog voorzien kan worden van voldoende voedingsstoffen?
P.S. Er is geen goed of fout idee! De wetenschap is er ook nog niet uit, dus het gaat erom dat jullie creatief denken en bekijken wat er allemaal wel mogelijk is en hoe je al die zaken (ook al is het uit een ander vakgebied misschien) kan toepassen bij het ontwerpen van een bioreactor voor een kruisband.
Opdracht 3 - De perfecte scaffold
Er komt nogal wat bij kijken om een (stukje van) een orgaan te kunnen tissue engineeren. Cellen, voeding, een geschikte bioreactor… maar één van de belangrijkste onderdelen is de scaffold. Een soort raamwerk waarop je de cellen kan zaaien. De cellen hebben immers een omgeving nodig waar ze kunnen groeien en het gewenste weefsel kunnen gaan maken.
Functie van de scaffold
Deze scaffold moet aan hele reeks eigenschappen voldoen. Het materiaal moet zeer poreus zijn, zodat de cellen door de gehele scaffold gezaaid kunnen worden, maar ook zodat de voedingsstoffen alle cellen kunnen bereiken. Losse cellen die gezaaid worden op een poreus materiaal, vormen uiteraard geen erg stabiel geheel. De scaffold moet in de eerste periode van de weefselgroei dus structuur en stevigheid bieden aan het “getissue engineerde” orgaan. Ook moet de scaffold biologisch afbreekbaar zijn. Wanneer het weefsel zich begint te vormen, moet de scaffold langzaam verdwijnen en het weefsel zal dan langzaam de stevigheid overnemen.
Materialen voor een scaffold
Er worden op dit moment veel verschillende materialen gebruikt bij tissue engineering. Veel materialen zijn op een andere manier al bekend in het medisch vakgebied. Denk bijvoorbeeld aan het materiaal voor oplosbare hechtingen en het biocompatibele (het lichaam kan het verdragen) metaal dat gebruikt wordt voor stents, dit zijn buisjes die in een vernauwd bloedvat geplaatst worden om het bloedvat open te houden. Dit laatste materiaal is een voorbeeld van een materiaal dat niet biologisch afbreekbaar is en illustreert ook meteen dat de meeste materialen die gebruikt worden voor scaffolds nog lang niet aan alle eisen voldoen waaraan een scaffold zou moeten voldoen. Andere voorbeelden van materialen die voor scaffolds gebruikt worden, zijn onder andere polyesters en gels. Polyesters zijn polymeren van esterverbindingen*) en er zijn vele variaties. Het materiaal kan op kunststof lijken, maar ook op textiel, afhankelijk van welke esterverbinding er gebruikt wordt. Polymelkzuur is een goed voorbeeld. Dit is een plastic-achtig materiaal en bij afbraak, valt het uiteen in melkzuur (het monomeer).
Gels zijn flexibele, siliconen-achtige structuren die zeer flexibel zijn. Ze kunnen synthetisch of biologisch zijn. Ze zijn makkelijker te modelleren en ze worden goed opgenomen in het lichaam.
Opdracht
Dit is slechts een greep uit de verschillende materialen die gebruikt worden in tissue engineering. Het perfecte materiaal is nog niet gevonden en dat zal ook nog wel even duren. Jullie gaan hier ook over nadenken. Aan welke eisen moet het materiaal voldoen? En kun je deze eisen een volgorde van belangrijkheid geven? Welke materialen passen bij de verschillende eisen? Moet het materiaal afgebroken worden of juist niet? Hoe kun je het materiaal in de gewenste vorm krijgen? Boetseren? Lijmen? Naaien? 3D printen? En wat is uiteindelijk jullie idee van wat nu de perfecte scaffold zal zijn?
P.S. Er is geen goed of fout idee! De wetenschap is er ook nog niet uit, dus het gaat erom dat jullie creatief denken en bekijken wat er allemaal wel mogelijk is en hoe je al die zaken (ook al is het uit een ander vakgebied misschien) kan toepassen bij het bedenken van het perfecte materiaal voor een scaffold.
*) Een ester is een organische verbinding die ontstaat door reactie van een zuur met een alcohol of suiker
Opdracht 4 - Mini tissue engineering (ethische kwestie)
Iets minder dan 1% van de baby’s in Nederland wordt geboren met een hartafwijking. Deze afwijkingen variëren van kleine bouwfoutjes, tot zeer complexe en uitgebreide afwijkingen. In sommige gevallen moet er, zelfs voor deze pasgeboren mensjes, een harttransplantatie uitgevoerd worden.
Harttransplantatie
Een harttransplantatie is een ingrijpende operatie. Dit is voor volwassenen al zeer risicovol, maar voor pasgeborenen brengt het nog veel meer risico’s met zich mee. Alles is kleiner, fragieler, minder stabiel en veel gevoeliger voor infecties en bacteriën. Daarbij is het natuurlijk lastiger om een passend hart voor een baby te vinden dan voor een volwassene. Het hart zal ook moeten meegroeien met de baby en dit gebeurt lang niet altijd. Het afweersysteem van de baby zal bovendien proberen het vreemde hart af te stoten, dus hiervoor moet dit mini-mensje waarschijnlijk de rest van zijn leven medicijnen slikken die het afweersysteem onderdrukken. En hoe lang dat leven nog zal zijn… is niet te voorspellen.
Een hart kweken?
Het zou dus een ideale oplossing zijn om een hartje te kunnen tissue engineeren voor een baby. Hartafwijkingen kunnen vaak al voor de geboorte opgespoord worden. Er kunnen dan al cellen afgenomen worden van het ongeboren kindje en er kan al gestart worden met het kweken van het hartje. Veel hartafwijkingen hebben echter een erfelijke oorzaak. Een hartje tissue engineeren van de cellen van de baby, geeft dus (zeer waarschijnlijk) eenzelfde hart, met dezelfde afwijkingen. Daarbij kunnen ook hierbij groeiproblemen optreden.
Van een ongeboren baby (maar ook van volwassenen) kunnen ook stamcellen worden afgenomen. Stamcellen kunnen zich ontwikkelen tot veel verschillende soorten cellen. Dit zijn de cellen waaruit een embryo van een paar dagen oud bestaat. Deze cellen gaan delen en zullen uiteindelijk differentiëren in huidcellen, hartcellen, darmcellen etc. Ook bij volwassenen worden continu stamcellen aangemaakt, omdat veel cellen van het lichaam continu vervangen worden. Stamcellen zijn dus zeer interessante cellen om te gebruiken in tissue engineering.
Een kwestie van ethiek
Mini tissue engineering, zoals we het hier genoemd hebben en het gebruik van stamcellen, geeft je nog iets meer dingen om over na te denken dan tissue engineering bij volwassenen. Naast deze praktische dingen, zijn er ook ethische aspecten om over na te denken. Ethiek is een vorm van filosofie die zich bezighoudt met het kritisch kijken naar wat nu juist handelen is. In het geval van tissue engineering, zijn hier nogal wat vragen over te stellen. Met tissue engineering kun je bijvoorbeeld het leven van een patiënt verlengen. Dit lijkt heel mooi, maar volgens Moeder Natuur zou deze patiënt waarschijnlijk gestorven moeten zijn. Moet je wel tegen Moeder Natuur in willen gaan? En is dit anders voor een vrouw van 80 jaar is met een lekkende hartklep, een baby van een paar dagen oud met een hartafwijking of een man van 35 jaar met een alcoholprobleem en leverfalen? Hoe ver mag je gaan met tissue engineering? Wat is stamceltherapie? Mag je stamcellen afnemen van ongeboren embryo’s om andere patiënten te helpen?
Opdracht
Met dit soort vragen houden veel filosofen, maar ook artsen en wetenschappers in het vakgebied van tissue engineering zich bezig. En jullie gaan dit ook doen. In hoeverre mag je met de medische wetenschap de natuur een handje helpen? En hoe ver mag je daarin gaan? En is het voor een onschuldige baby anders dan voor een alcoholist die zijn eigen lever kapot gedronken heeft?
P.S. Er is geen goed of fout idee! De wetenschap is er ook nog niet uit, dus het gaat erom dat jullie creatief denken en bekijken wat er allemaal wel mogelijk is en hoe je al die zaken (ook al is het uit een ander vakgebied misschien) kan toepassen bij het maken van een lever.
Opdracht 5 - Bot en kraakbeen tissue engineering
De botten in je lichaam hebben een heel andere structuur dan de andere organen in je lichaam. Het is een vorm van bindweefsel, maar het bestaat voor een groot deel uit calcium en hierdoor is het hard. Andere bestanddelen van bot zijn collageen en water. Ondanks de hardheid, is bot erg dynamisch. Door alle krachten die je botten te verduren krijgen, wordt het continu geremodelleerd. Dit gebeurt door minuscule afbraak en opbouw van het botweefsel. Bij een botbreuk, kan het bot zichzelf dus ook herstellen.
Bot en kraakbeen
Elk bot in je lichaam bestaat uit een harde, compacte buitenkant en een zachtere, sponsachtige binnenkant. Die binnenkant lijkt ook echt op een spons, met veel dunne bakjes en gaten. In die ruimtes zit het beenmerg en er lopen bloedvaten doorheen. In je gewrichten zit er over de harde buitenkant van het bot ook nog kraakbeen. Dit functioneert als het ware als een stootkussen, om je gewrichten te beschermen.
Beschadigingen aan bot en kraakbeen
Letsels aan kraakbeen of bot kunnen erg ingewikkeld zijn. We bedoelen hier geen ‘normale’ botbreuken, deze kunnen vaak uit zichzelf genezen of ze worden gezet. Maar wanneer een patiënt een letsel heeft aan een bot (bijvoorbeeld slijtage door sportblessures of osteoporose bij ouderen), wat niet op de juiste manier hersteld kan worden door het bot zelf, werd dit, voor de opkomst van tissue engineering, behandeld met behulp van microfracturen. Op een aantal plekken werden er gaatjes geboord in het bot. Hierdoor begon het bot zichzelf te herstellen en door die plekken strategisch te kiezen, kon je het herstelproces beïnvloeden. De resultaten met deze methode waren echter niet heel goed, veel patiënten bleven klachten houden.
Wanneer kraakbeen beschadigd is, herstelt het niet of nauwelijks. Ook hier wordt de microfractuur behandeling toegepast, maar de resultaten vallen erg tegen. Tissue engineering is dus een goed alternatief. Het feit dat kraakbeen niet tot nauwelijks herstelt bij een beschadiging, komt doordat kraakbeencellen erg langzaam groeien. Dit is bij tissue engineering natuurlijk ook een probleem. Toch hebben verschillende wetenschappers al goede alternatieven gevonden, door kraakbeencellen te mixen met andere cellen bijvoorbeeld. En door de scaffold zo te maken, dat deze exact past in het ‘gat’ van de beschadiging.
Opdracht
Zoals je kan lezen, zal het tissue engineeren van bot en kraakbeen een andere aanpak vereisen dan bij het tissue engineeren van zacht weefsel zoals bloedvaten. Wat kunnen de wetenschappers al met betrekking tot het maken van bot en kraakbeen buiten het lichaam? Hoe krijgen ze toch een functioneel stuk kraakbeen zonder ellenlang te moeten wachten op de trage kraakbeencellen? Welke cellen zijn er nodig om bot te maken? En hoe zorg je voor de harde buitenkant van bot?
P.S. Er is geen goed of fout idee! De wetenschap is er ook nog niet uit, dus het gaat erom dat jullie creatief denken en bekijken wat er allemaal wel mogelijk is en hoe je al die zaken (ook al is het uit een ander vakgebied misschien) kan toepassen bij het tissue engineeren van bot en/of kraakbeen.
Bronnen per opdracht
Per opdracht staan twee wetenschappelijke artikelen genoemd en enkele termen waarmee je kan zoeken op internet. De artikelen zijn meer ter illustratie, ze kunnen moeilijk zijn om te begrijpen omdat ze in wetenschappelijk Engels zijn geschreven, maar wellicht kunnen jullie er iets uithalen.
De zoektermen zijn voorbeelden, uit de tekst van de opdrachten en de colleges kun je vast nog meer zoektermen vinden en ook wanneer je begint met zoeken, kom je nog meer termen tegen. Probeer ze ook in combinaties en speel er een beetje mee. Succes ermee!
Opdracht 1 - Maak een lever
Fukumitisu, K., Yagi, H. and Soto-Gutierrez, A., Bioengineering in Organ Transplantation: Targeting the Liver, Transplant Proc. 2011 ; 43(6): 2137–2138.
Li, Y., Harn, H., Hsieh, D. et al, Cells and Materials for Liver Tissue Engineering, CT-2434 Cell Transplantation.
Termen om mee te zoeken op internet: leverfalen/liverfailure, lever/ liver tissue engineering, lever regeneratieve geneeskunde, hepatic tissue engineering.
Opdracht 2 - Bioreactor voor kruisbanden
Smith, L., Xia, Y., Galatz, L.M. et al, Tissue Engineering Strategies for the Tendon/ligament-to-bone
Insertion, Connect Tissue Res. 2012 ; 53(2): 95–105.
Shearn, J.T., Kinneberg, K.R.C., Dyment, N.A. et al, Tendon tissue engineering: Progress, challenges, and translation to the clinic, J Musculoskelet Neuronal Interact 2011; 11(2):163-173
Termen om mee te zoeken op internet: tendon tissue engineering, ligament tissue engineering, mechanical conditioning of engineered tissues, mechanische conditionering tissue engineering kruisband, kruisband tissue engineering, kruisband regeneratieve geneeskunde.
Opdracht 3 - De perfecte scaffold
Zorlutuna, P., Annabi, N., Camci-Unal, G. et al, Microfabricated Biomaterials for Engineering 3D Tissues, Adv Mater. 2012 April 10; 24(14): 1782–1804.
Partridge, R., Conlisk, N.and Davies, J.A., In-lab three-dimensional printing - An inexpensive tool for experimentation and visualization for the field of organogenesis, Organogenesis 2012; 8:1, 22–27.
Termen om mee te zoeken op internet: scaffold, microenvironment, biocompatible, biomaterials in tissue engineering, collagen in tissue engineering, hydrogels in tissue engineering, decellularized organs, nanofibers in tissue engineering, draagstructuur tissue engineering, draagstructuur regeneratieve geneeskunde, biocompatibel.
Opdracht 4 - Mini-tissue engineering – Ethische kwestie
Derksen, M.G. and Horstman K., Engineering flesh: towards an ethics of lived integrity, Med Health Care and Philos (2008) 11:269–283.
Dekkers, W. and Gordijn, B., The broader context of medical ethics, Med Health Care and Philos (2008) 11:253–254.
Termen om mee te zoeken op internet: ethics in tissue engineering, stemceltherapy, stamceltherapie, medische ethiek, body-technology relations, bioethics, bioethiek.
Opdracht 5 Bot en kraakbeen tissue engineering
Jakob, M., Saxer, F., Scotti, C. et al, Perspective on the Evolution of Cell-Based Bone Tissue Engineering Strategies, Eur Surg Res 2012;49:1–7.
Kock, L., van Donkelaar, C.C., and Ito, K., Tissue engineering of functional articular cartilage: the current status, Cell Tissue Res (2012) 347:613–627.
Termen om mee te zoeken op internet: cartilage tissue engineering, bone tissue engineering, mechanical stimulation/stimulating factors in bone/cartilage tissue engineering, osteoarthritis chondrocyte supply in tissue engineering, extracellular matrix bone tissue engineering, regeneratieve geneeskunde bot, regeneratieve geneeskunde kraakbeen.
