Kijken naar de toekomst: plastics genezen blindheid

Als mensen slechter beginnen te zien, kan dit in veel gevallen te maken hebben met een beschadigde cellaag in het hoornvlies of de cornea, meer bepaald de endotheellaag. Hoornvliesaandoeningen zijn immers een van de grootste oorzaken van blindheid. Momenteel kunnen deze enkel genezen worden met behulp van een hoornvliestransplantatie. Er is echter slechts 1 donor beschikbaar voor elke 70 patiënten wat resulteert in een grote nood aan alternatieve behandelingsmethoden.

De structuur van het hoornvlies.

Om een betere behandelingsmethode te kunnen ontwikkelen is het belangrijk om goed te begrijpen hoe en waar het probleem zich precies situeert. Het hoornvlies is opgebouwd uit verschillende lagen terwijl het probleem zich situeert ter hoogte van de binnenste twee lagen, namelijk het Descemet’s membraan en het endotheel. Het Descemet’s membraan is een laag zonder cellen welke opgebouwd is uit collageen. Laatstgenoemde is een structureel proteïne dat optreedt als “lijm” voor cellen, waardoor het tevens vaak aangewend wordt in cosmeticaproducten (bvb. crèmes). Het endotheel is een monolaag opgebouwd uit cellen die voornamelijk een pompfunctie hebben. Zij pompen namelijk continu vocht uit het stroma, een van de lagen van het hoornvlies, om ervoor te zorgen dat deze transparant blijft. Bij de geboorte zijn er in een gezond oog ongeveer 6000 van deze cellen per mm2 maar elk jaar sterven er ongeveer 0,6% van de cellen af, zonder dat deze zich achteraf kunnen herstellen. Om het verlies van deze cellen te compenseren, worden de omliggende cellen groter om de functie van de dode cellen te kunnen overnemen. Wanneer het aantal cellen onder de 500 cellen per mm2 komt te liggen, kan het endotheel zijn functie niet meer voldoende uitoefenen en zal er zich een teveel aan vocht opstapelen in het stroma. Hierdoor zal het stroma troebel worden waardoor de patiënt geleidelijk aan het zicht verliest en finaal blind wordt.

Tegenwoordig kan men deze ziekte genezen door middel van een hoornvliestransplantatie waarbij het Descemet’s membraan en het endotheel van een overleden donor geïmplanteerd wordt bij de patiënt, waardoor de vochthuishouding van het stroma terug onder controle komt en de patiënt terug kan zien.

Biodegradeerbare plastics als oplossing voor het donortekort.

Om het grote donortekort tegemoet te komen, hebben wij gedurende mijn masterthesis onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van een kunstmatig Descemet’s membraan. Na uitzaaien van gezonde endotheelcellen op het membraan, kan dit in een beschadigd oog geïmplanteerd worden. Dit membraan dient echter aan enkele belangrijke vereisten te voldoen teneinde een geschikt alternatief voor donorweefsel te kunnen vormen:

• Voldoende dun (<10-20µm) gezien de beperkte beschikbare ruimte in het oog
• Transparant, wat wil impliceert dat het meer dan 90% van het zichtbare licht moet doorlaten
• Doorlaatbaar voor voedingsstoffen en afvalstoffen gezien de pompfunctie van de cellen
• Voldoende sterk om de transplantatie toe te laten
• Geschikt om te fungeren als drager voor endotheelcellen

Om aan deze voorwaarden te voldoen, bestaan onze membranen uit twee verschillende lagen. Een eerste laag bestaat uit een biodegradeerbaar polyester (plastic), wat eveneens gebruikt wordt om oplosbare hechtingsdraad te ontwikkelen. Deze laag zorgt ervoor dat het membraan voldoende sterk is om de operatie te overleven. De tweede laag bestaat uit een materiaal dat de natuurlijke omgeving van de cellen, de extracellulaire matrix, nabootst. Op die manier voelen de nieuwe cellen zich thuis op het membraan. Deze extracellulaire matrix is de structuur die zich buiten de cellen bevindt en welke stevigheid en structuur biedt aan weefsels. Het voornaamste bestanddeel van de natuurlijke extracellulair matrix is collageen. Om dit zo goed mogelijk na te bootsen hebben we gebruik gemaakt van een gelatine- gebaseerd materiaal, gezien dit is afgeleid van collageen. Als je denkt aan het gebruik van gelatine in desserten en andere voedingstoepassingen, dan blijkt dat het  oplosbaar is in water bij verhoogde temperatuur. Vandaar dat we het eerst chemisch modificeren om te voorkomen dat het zou oplossen na implantatie in het oog. Dit wordt gerealiseerd door het materiaal te vernetten.

Op dit kunstmatig membraan werden endotheelcellen van donoren, na opkweek in het labo, uitgezaaid. Zolang deze cellen zich niet in het oog bevinden, kunnen deze namelijk nog delen om een nieuwe monolaag te vormen bovenop de gelatine laag, waarna het membraan na transplantatie de patiënt opnieuw kan laten zien. Op die manier kan 1 donor verschillende patiënten genezen, waardoor het donortekort opgelost wordt.

Een ander pluspunt van onze membranen is het feit dat deze kunnen afgebroken worden in het lichaam, waardoor er na verloop van tijd enkel natuurlijke cellen overblijven en het lijkt alsof de patiënt nooit een aandoening, noch behandeling heeft gehad.

Hoe wordt het gemaakt?

De verschillende lagen van het membraan worden gemaakt via een ‘spincoating’ proces, waarbij een oplossing van het gewenste materiaal op een glazen plaatje wordt aangebracht. Het plaatje wordt vervolgens heel snel geroteerd waardoor het druppeltje uitspreid en het oplosmiddel verdampt en er aldus een dun laagje overblijft van de opgeloste stof (plastic en gelatine). 

Eerst wordt een laagje ongemodificeerd gelatine aangebracht op een glazen plaatje. Daarbovenop wordt dan een laagje van het polyester afgezet. Om ervoor te zorgen dat er een goeie aanhechting is tussen de polyester laag en de toplaag bestaande uit vernetbaar gelatine, wordt de polyesterlaag eerst blootgesteld aan een plasma. Dan worden de glasplaatjes verwarmd waardoor de eerste gelatine laag oplost en het geproduceerde membraan loskomt en worden er cellen op gezet.

Is het gelukt?

Ja! We hebben succesvol een membraan kunnen maken dat aan alle vereisten voldoet. Het is namelijk dun genoeg en voldoende transparant. Verder kon worden aangetoond dat de membranen voldoende doorlaatbaar zijn voor voedingstoffen zodat de cellen in het hoornvlies niet kunnen afsterven. De membranen kunnen ook vlot gehanteerd worden met chirurgisch materiaal zonder scheurvorming, waardoor deze een operatie kunnen overleven. Ook de biologische testen in aanwezigheid van donorendotheelcellen leverden spectaculaire resultaten op. De cellen hebben de eigenschappen van gezonde endotheelcellen zoals de aanwezigheid van pompen (groen) en een zeshoekige vorm.

Het zijn slechts de eerste stappen, maar toch laat dit onderzoek toe om de toekomst iets rooskleuriger te zien voor patiënten met een visuele beperking en bij uitbreiding voor mensen met andere complexe aandoeningen.