## 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 beschreven.

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.