net als elk ander systeem heeft de mens geen oneindig leven. onderdelen van het menselijke systeem falen na verloop van tijd. in het verleden was er voor falende organen of ledematen vaak geen andere oplossing dan ze uit het systeem te verwijderen. de volgende stap was het vervangen van die onderdelen door artificiële, door de mens gecreëerde organen. nu is tissue engineering aan een sterke opmars bezig.
Weefselregeneratie
Falende organen of ledematen (of delen ervan) stellen de wetenschap voor een uitdaging. Het (re)genereren van biologisch weefsel of tissue engineering is de nieuwste, logische stap in de zoektocht naar oplossingen om beschadigd of ziek weefsel te herstellen. Het vervangen van dit weefsel door een synthetisch materiaal heeft een aantal beperkingen, zoals afstoting door het lichaam, slijtage of infectie. Naast het gebruik van prothesen en artificiële organen werd ook een oplossing gezocht in de transplantatie vanuit donoren. Er is echter een ernstig tekort aan donororganen en dit verergert jaarlijks door de veroudering van de bevolking. Een (vermeende) oplossing voor alle problemen verbonden aan het gebruik van lichaamsvreemde materialen is nu het herstel van het weefsel vanuit de grondstoffen van het weefsel zelf, waarbij zijn (re)genererende vermogen wordt gebruikt door de basiscellen in te zetten en daarop de al dan niet gemanipuleerde, normale biologische reacties toe te passen. Dit komt neer op een engineeringbenadering van de normale biologische processen met de beschikbare biologische agentia. Weefselregeneratie of tissue engineering is een relatief jonge wetenschap. De eerste keer dat de term ‘tissue engineering’ werd vermeld, was in een rapport van een paneldiscussie over nieuwe trends in de biomedische ingenieurswetenschappen van de National Science Foundation in de Verenigde Staten in 1987. In 2001 sprak een inventaris van tissue engineering reeds van 3 300 wetenschappers in zeventig bedrijven. Jaarlijks werd rond de 600 miljoen dollar besteed aan tissue engineering. Hoewel er nog niet veel echt bruikbare klinische toepassingen en producten waren (en zijn), werd en wordt tissue engineering algemeen beschouwd als een belangrijke industriële groeipool.
Het is wellicht nuttig om hier enkele basisconcepten toe te lichten. Eerst is er het onderscheid tussen tissue engineering en celtherapie. Bij het eerste wordt er gebruik gemaakt van een draagstructuur om een driedimensionaal weefsel te creëren. Bij celtherapie worden cellen rechtstreeks geïnjecteerd in een defect in het lichaam of op de plaats waar er een biologische reactie vereist is. Een ander relevant onderscheid is tussen het gebruik van autogene versus allogene producten. De eerste vereisen een proces dat zich afspeelt in en rond elke individuele patiënt, die de bron is van de cellen die zullen worden gebruikt. De tweede categorie vormt de grootste uitdaging: het gebruik van aan de patiënt vreemde cellen laat een industrialisatie en een schaalvergroting van het proces toe. Vooral op de markt van de allogene producten is een aantal bedrijven al failliet gegaan: hiermee gaan immers grote kosten en investeringen gepaard, die geëvalueerd moeten worden tegen een grotendeels nog te bewijzen toegevoegde waarde voor de gezondheidszorg. Studies die de toegevoegde waarde van weefselregeneratie kwantitatief onderzoeken zijn erg nodig: health technology assessment moet de nodige gegevens verzamelen en interpreteren om de haalbaarheid en de geloofwaardigheid van tissue engineering te ondersteunen.
Draagstructuren zijn belangrijk omdat ze een structuur voor de organisatie van de cellen bieden
De basisidee van tissue engineering is de gedachte dat de combinatie van goedgekozen cellen met een correcte draagstructuur en bijpassende groeifactoren aanleiding geeft tot de vorming van het juiste neoweefsel. De toepassing van een draagstructuur of scaffold is zoals reeds gezegd een essentieel onderscheid tussen celtherapie en tissue engineering. In het geval van een groot weefseldefect ontbreekt niet alleen de celpopulatie, maar ook de extra cellulaire matrix. Draagstructuren zijn belangrijk omdat ze een structuur voor de organisatie van de cellen bieden. De draagstructuur moet het mogelijk maken dat de cellen zich in een geschikte driedimensionale omgeving ontwikkelen en neoweefsel vormen. Het hechten van de cellen aan die draagstructuur is dan ook een eerste belangrijke stap. De mechanische eigenschappen van de draagstructuur bepalen de sterkte en stijfheid bij de reconstructie van een weefseldefect. Daarnaast zijn ook de biocompatibiliteit en/of de bioresorbeerbaarheid van de draagstructuur van groot belang. Biocompatibiliteit verwijst naar biomateriaal dat geen vreemdlichaamreactie uitlokt, bioresorbeerbaarheid verwijst naar oplosbaarheid in het lichaamweefsel. Het aanbrengen van een oppervlaktedeklaag op een draagstructuur is mogelijk en soms nodig om de celaanhechting te bevorderen. De weefselingenieur kan ook inspelen op de porositeit of de permeabiliteit (doordringbaarheid) van de draagstructuur om de infiltratie van cellen en de (in)groei van neoweefsel te bevorderen. De vorming van neoweefsel veronderstelt ook de vorming van bloedvaten, wat essentieel is voor het verkrijgen van een functioneel en vitaal weefsel. Als er bijvoorbeeld een volledige regeneratie wordt nagestreefd, dan is een resorbeerbare draagstructuur nodig. Als een (snel) herstel van de (bijvoorbeeld lastdragende) functie voldoende is en als er nog wat artificieel restmateriaal aanwezig mag blijven, dan is een niet-resorbeerbare draagstructuur een optie. De eerste mogelijkheid kan zinvol worden toegepast bij jongere patiënten, de tweede mogelijkheid bij oudere patiënten waar een snel herstel van de functie moet primeren op een volledige en permanente regeneratie van het weefsel.
De bioresorbeerbare biomaterialen spreken het meest tot de verbeelding. Er zijn verschillende mogelijkheden: van twee- of driedimensionale substraten om cellen op te laten hechten tot materiaal dat actieve bestanddelen kan vrijgeven om cellulaire reacties te initiëren of te bestendigen en te versnellen. Degradeerbaar betekent automatisch dat er bijproducten van het degradatieproces zullen vrijkomen in het lichaam. Die bijproducten mogen natuurlijk niet toxisch zijn en daarenboven moet het afbreken van de draagstructuur in balans zijn met het regeneratieproces van het lichaam (i.e. het ontstaan van nieuw en dragend weefsel). Voorbeelden vinden we in het ontwerp van hechtdraden voor chirurgie, maar ook in draagstructuren voor tissue engineering van botweefsel. Zowel natuurlijke polymeren als synthetische polymeren worden hierbij ingezet. Voor de tissue engineering van botmateriaal worden inorganische materialen zoals de calciumfosfaten gebruikt. Die biomaterialen zijn zeer gelijkaardig aan de mineralen die in bot aangetroffen worden.
Bij het ontwerp van draagstructuren is de porositeit erg belangrijk. Naast de porositeit wordt ook aandacht besteed aan de interconnectiviteit tussen de poriën en aan de tortuositeit of de grilligheid van de vorm van de poriën en de kanalen tussen de holtes. Een optimale poriegrootte van tussen de 100 en de 500 micrometer en een porositeit van meer dan 90 procent is gewenst voor toepassingen bij verschillende weefseltypes. Een correcte porositeit en connectiviteit garanderen het transport van cellen van vormend weefsel en maximaliseren ook de kansen op vascularisatie. Moderne productietechnieken zijn in ontwikkeling om dergelijke fijne driedimensionale structuren te maken. De rapid-prototypingtechnieken laten toe om goed gedefinieerde, controleerbare structuren te produceren. Injecteerbare draagstructuren zijn interessant want ze kunnen via een minimaal invasieve toegangsweg in het lichaam worden aangebracht.
Slechts een beperkte hoeveelheid cellen kan bij een patiënt worden geoogst of via een ander kanaal ter beschikking komen.
Een ander belangrijk aspect van het werken met cellen in tissue engineering is de expansie en differentiatie van cellen. Slechts een beperkte hoeveelheid cellen kan bij een patiënt worden geoogst of via een ander kanaal ter beschikking komen. Het cultiveren of kweken van cellen moet het aantal cellen vergroten voor de therapeutische toepassing, maar met behoud van het fenotype. In die context zijn bioreactoren van essentieel belang. Ze zijn een voorbeeld van een mogelijke toegevoegde waarde van ‘zuivere engineering’ in de ontwikkeling van tissue engineering. Een bioreactor is een gecontroleerde (en ook bewaakte en gestuurde) omgeving waarin de biologische en fysicochemische processen zich op een optimale manier kunnen afspelen. Bioreactoren bestaan in verschillende uitvoeringen, van uiterst eenvoudige (vlakke membranen waarop de cellen zich bevinden) tot zeer complexe (toestellen waarin de cellen aan vloeistofstroming en mechanische belasting worden blootgesteld).
Groeifactoren sturen het celgedrag (hechting aan een substraat, groei of dood, migratie of differentiatie. Het toedienen van groeifactoren wordt bemoeilijkt door het feit dat ze snel in concentratie verminderen (wegens diffusie in het neoweefsel en wegens een korte halfwaardetijd). Daarom is het belangrijk dat ze op een betrouwbare manier ter plaatse worden afgeleverd. Een andere bepalende factor in het succes van een behandeling met tissue engineering is de bron van de toegepaste cellen. In een menselijk lichaam bevinden zich 60 triljoen cellen. Op het eerste gezicht lijkt er dus een enorme reserve. De differentiatie van die cellen in het lichaam loopt via stamcellen naar progenitor- en precursorcellen en ten slotte naar volgroeide cellen. Hoewel vele wetenschappers dachten dat de belangrijkste rol is weggelegd voor de precursorcellen, is er nu meer evidentie dat ook de bijna volledig gedifferentieerde cellen een rol kunnen spelen in tissue engineering. Een bepaald celtype is soms moeilijk te vinden in het lichaam omdat het slechts in zeer kleine hoeveelheid voorkomt. Zo is er maar één stamcel op 100 000 cellen in het bloed.
Tissue engineering is nog geen gebruikelijke klinische techniek
De vraag is nu of de patiënt hiermee wordt geholpen. Het moet duidelijk zijn dat tissue engineering nog geen gebruikelijke klinische techniek is. Waar staan we dan vandaag met het onderzoek en met de klinische toepassingen? Hoewel er veel literatuur beschikbaar komt (waarin vooral met kleine diermodellen geëxperimenteerd wordt), zijn de klinische toepassingen nog beperkt (ook de gerapporteerde grote en dus meer voor de mens relevante diermodellen zijn beperkt in aantal). We overlopen enkele veelbelovende toepassingen rond de vervanging van huid, kraakbeen, bot, cardiovasculair weefsel en weefsel van het zenuwstelsel. De huid (het grootste orgaan uit ons lichaam) bestaat uit de epidermis en de dermis. De bovenlaag van de epidermis is harder en beschermt het lichaam tegen invasie van vreemde bestanddelen. De dermis bestaat uit een extracellulaire matrix zoals collagene vezels en beschermt de inwendige organen. Er bestaan twee versies van tissue engineering van de huid: één waarbij er geen gebruik gemaakt wordt van gecultiveerde cellen en één waarbij dit soort cellen wel gebruikt wordt. Een kunsthuid zonder cellen is commercieel beschikbaar en wordt toegepast bij de behandeling van diepe brandwonden. Huidcellen zoals keratinocyten worden gekweekt op een acellulaire kadaverdermis en ook klinisch toegepast.
Kraakbeen komt op verschillende plaatsen voor in ons lichaam. In het aangezicht geeft het vorm aan neus en oren, in onze gewrichten bedekt het de botoppervlakken met een nagenoeg wrijvingsloze deklaag. Gewrichtskraakbeen stelt een bijzondere uitdaging voor tissue engineering, met een belangrijke klinische toepassing. Het transport van voedingsstoffen in kraakbeen verloopt vooral via een diffusieproces, bloedvaten zijn niet aanwezig. Gewrichtskraakbeen speelt een unieke rol in ons lichaam: het vangt hoge gewrichtsreactiekrachten op en zorgt voor krachtoverdracht naar het sponsachtige bot dat zich onder het kraakbeen bevindt. Kraakbeen kan zich maar bijzonder langzaam herstellen. Daarenboven neemt de zelfherstellende capaciteit van kraakbeen af met de leeftijd. Bij oudere patiënten wordt een groot kraakbeenletsel of kraakbeenslijtage daarom over het algemeen behandeld met een gewrichtsprothese. Bij jongere patiënten waar de letsels vooral eerder een lokaal karakter hebben, komen therapieën gebaseerd op celtransplantatie of op merg stimulerende technieken eerder in aanmerking. Het probleem is dat de klinische resultaten vaak erg onvoorspelbaar zijn. Daarom zijn oplossingen met behulp van tissue engineering voor kraakbeenherstel erg attractief.
Botdefecten komen voor na complexe breuken of na het verwijderen van bottumoren. Die holtes worden opgevuld met botgreffen (vermalen bot) of met implantaten. Het toepassen van autologe botgreffen, vooral afkomstig van de bekkenkam van de patiënt zelf, gold lange tijd als de beste oplossing. Problemen met pijn op de plaats van afname van de greffe en met de beperkte beschikbaarheid van bot op de oogstplaats stimuleerden de zoektocht naar oplossingen door tissue engineering. Sinds het begin van de jaren 1990 werd er door diverse onderzoeksteams in de wereld intensief gezocht naar oplossingen voor het herstel van grote botdefecten (enkele kubieke centimeters). Het meest intensief bestudeerde concept is de combinatie van stamcellen afgeleid uit het beenmerg, gecombineerd met een biocompatibele poreuze draagstructuur. Als draagstructuur kunnen zowel metallische materialen als keramische materialen en polymeren worden gebruikt. Het Leuvense onderzoek is hierop toegespitst.
Andere elementen van het musculoskeletaal systeem in ons lichaam zijn pezen, ligamenten en spieren. Pezen verbinden spieren met de beenderen in ons skelet, ligamenten verbinden beenderen onderling. Beide vertonen een hoge treksterkte (en geen sterkte op druk) en spelen een belangrijke rol in de beweging en de stabiliteit van onze gewrichten. Ook hier zijn autogreffen nog steeds de beste toepassing. Bij de behandeling van een gescheurde voorste kruisband (een veel voorkomend sportletsel) is de vervanging van dit ligament door een stuk van de knieschijfpees een standaardbehandeling. Kunstligamenten zijn op de markt verschenen, maar vaak zijn de functionele eigenschappen niet vergelijkbaar met het oorspronkelijke materiaal. De regeneratie van pezen en ligamenten vereist echter ook een dynamische biomechanische omgeving, waardoor die constructies moeten worden gekweekt in bioreactoren die een cyclische belasting opleggen in een geschikt biologisch kweekmedium. De ontwikkeling van spieren met behulp van tissue engineering staat nog in de kinderschoenen: polymere microvezels worden gecombineerd met de spiervormende cellen en met groeifactoren. Het verkrijgen van een goed gevasculariseerd neoweefsel is ook hier een grote uitdaging.
Tissue engineering van cardiovasculair weefsel spreekt tot de verbeelding omdat ziektes van dit systeem de grootste doodsoorzaak zijn in het Westen
Tissue engineering van cardiovasculair weefsel spreekt ook tot de verbeelding, zeker omdat ziektes van dit systeem de grootste doodsoorzaak zijn in het Westen. In de ontwikkeling van geregenereerde aders levert de combinatie van een bioabsorbeerbare polymere draagstructuur met autologe cellen een biomateriaal dat kan groeien en hermodelleren. Na een proefdierstudie werden twee patiënten succesvol behandeld op die manier. De vervanging van hartkleppen is een vrij gebruikelijke ingreep geworden. Zowel mechanische kleppen als bioprothetische kleppen zijn nu beschikbaar, maar beide hebben nadelen. Zo is de mechanische klep gevoelig voor stolling van bloed en is de bioprothetische klep gevoelig voor ontstekingen. Ook hier gaat het huidige onderzoek in de richting van weefselregeneratie van kleppen. De basis is een poreuze draagstructuur waarop autologe cellen gezaaid worden. Er zijn nog vele problemen om een geschikt draagstructuurmateriaal te vinden en men onderzoekt de mogelijkheid om hiervoor basisweefsel van varkenskleppen te gebruiken. Na een hartinfarct is een deel van de hartspier afgestorven. In klinische studies is het lokaal injecteren van myoblasten van skeletspieren of van stamcellen al onderzocht. Celtherapie is blijkbaar in staat om de hartfunctie opnieuw te verbeteren na een infarct, zoals aangetoond in een in-vivostudie met ratten. De aanmaak van hartweefsel vanuit tissue engineering staat nog veel verder af van de klinische praktijk. Enkele onderzoeksgroepen experimenteren met collagene vellen, waarop hartspiercellen ingezaaid werden. Na verschillende behandelingsstappen kwam een weefsel ter beschikking dat ritmisch kan samentrekken met een frequentie tussen de 40 en de 220 slagen per minuut. Verder dan proefdierstudies komen die ontwikkelingen echter nog niet.
Tissue engineering van andere organen staat nog verder af van klinische toepassingen. Een potentieel belangrijke ontwikkeling situeert zich in het herstel van het ruggenmerg, na een zwaar trauma bijvoorbeeld. De transplantatie van autologe beenmergcellen, in combinatie met het toedienen van groeifactoren, werd in zes volledig verlamde patiënten uitgeprobeerd. Een beperkte verbetering van de functie was merkbaar, maar tegelijk waren er ernstige neveneffecten zoals hoge koorts. Tissue engineering of weefselregeneratie is een jonge, maar erg veelbelovende wetenschap met duidelijke klinische implicaties. Voor klinisch gebruik zijn tegenwoordig dunne, avasculaire en niet-bezenuwde weefsels beschikbaar, waarvan de eigenschappen vooral door de extracellulaire matrix bepaald worden. Het functioneel maken van weefsels, bijvoorbeeld door prioritair aandacht te besteden aan de vascularisatie, is een noodzaak. Het engineeren van functionele weefsels in grotere hoeveelheden is nodig voor het vervangen van grote defecten en van hele organen. Dit vormt nu de grootste uitdaging: opschaling van kleine naar grote weefselvolumes, van laboratoriumschaal naar industrieel proces, van cultivering van één celtype naar coculturen van meerdere celtypes.
Het is duidelijk dat tissue engineering essentieel multidisciplinair is, zowel in het fundamentele als in het translationele onderzoek om de fundamentele bevindingen naar de klinische praktijk te brengen. In dit domein is er nood aan een nieuw soort van wetenschappers, weefselingenieurs die biologische en medische kennis combineren met een gedegen ingenieursachtergrond. Tegelijk zal tissue engineering nieuwe ontwikkelingen meebrengen in de chirurgische technieken om die nieuwe weefsels in de patiënt aan te brengen en nieuwe monitoringstechnieken om de kwaliteit van de weefsels tijdens de groei in bioreactoren en tijdens integratie in de mens op te volgen en zo nodig bij te sturen. De maakbare mens dient zich aan als een uitdaging voor het medisch-technologische onderzoek van de toekomst.
Yoshito Ikada, Tissue Engineering: Fundamentals and Applications (Amsterdam: Elsevier 2006).
PC Johnson, AG Mikos, JP Fisher, JA Jansen, ‘Strategic Directions in Tissue Engineering’, in: Tissue Engineering, 2007, 13, 2827-2837.
Jos vander Sloten is als biomechanicus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License