Het ei-model: (g)een f-ei-lloos model?
Nieuwe weefsels kunnen printen vanuit je eigen cellen: het spreekt zeker en vast tot de verbeelding. Met weefseltechnologie kan deze droom binnenkort wel eens realiteit worden. Jaarlijks sterven er nog mensen op wachtlijsten voor orgaantransplantatie. Met stamcellen, uit je eigen vetweefsel, kan binnenkort misschien wel een nieuw orgaan geprint worden. Maar voor het zover is, moeten nog een aantal hordes overwonnen worden.
Opdat weefsels lang genoeg kunnen overleven na transplantatie naar het lichaam, is bloedvoorziening van het grootste belang. Om dit te kunnen onderzoeken, is het nodig om te bekijken op welke manier het makkelijkste verbindingen kunnen worden gemaakt tussen de 3D-geprinte nieuwe weefsels en de bestaande weefsels. Vandaag de dag wordt er in wetenschappelijk onderzoek nog heel frequent gebruikt gemaakt van proefdieren om dit te onderzoeken. Het proefdier dat bij uitstek wordt gebruikt, is de muis. Dit komt echter met verschillende bezwaren, met onder andere de diervriendelijkheid als belangrijke factor. Daarnaast is het kostelijk en tijdrovend.
Men gaat dan ook steeds vaker op zoek naar meer diervriendelijke alternatieven, volgens het 3V-principe om proefdieren te Vervangen, het aantal dierproeven te Verminderen en de proeven te Verfijnen. Het kippenei-model kan aanzien worden als een goed alternatief om het gebruik van proefdieren ethischer te maken. In mijn thesis werd onderzocht hoe er concreet gebruik kan gemaakt worden van het kippenei-model in weefseltechnologie.
Weefseltechnologie: print je ei-gen weefsels
Weefseltechnologie is de wetenschap die zich bezighoudt met het printen van nieuwe weefsels. Hierbij moet er met een veelheid aan factoren rekening gehouden worden, zoals onder andere het type inkt. De inkt kan bijvoorbeeld gemaakt worden vanuit gelatine, een normale bouwstof van weefsels bij de mens. Het uiteindelijke doel is dat nieuw geprinte weefsels zo goed mogelijk de normale menselijke weefselstructuur benaderen.
In het algemeen zijn er twee manieren om te printen, namelijk het printen van een grondlaag gevolgd door het bezaaien met cellen, of de cellen rechtstreeks in de inkt verwerken en als een geheel printen. De tweede manier wordt vaak verkozen boven de eerste, omdat de cellen werkelijk binnenin het weefsel verwerkt zitten, maar deze is moeilijker om uit te voeren. Er moet namelijk meer rekening gehouden worden met de cellen, die tijdens het printen geen schade mogen oplopen.
Toepassing van het model: geen eitje
Tijdens mijn onderzoek hebben we geprobeerd de bloedvatvorming op een nieuwe manier, zonder muizen, te beoordelen. Dit door gebruik te maken van het ei-model, dat nog verder op punt gesteld moet worden. De vraag blijft namelijk op welke manier het ei-model kan gebruikt worden in weefseltechnologie en wat de meerwaarde ervan kan zijn.
Bij het ei-model wordt een bevrucht kippenei gebruikt, dat bestaat uit een kippenembryo met voedingsstoffen in de eidooier en het eiwit. Bovendien is er een goed doorbloed membraan, het chorioallantoïsche membraan aanwezig. Dit membraan zorgt ervoor dat zuurstof opgenomen wordt en dat afvalstoffen afgevoerd worden, het is als het ware de long van het embryo. Op deze manier wordt het ideale milieu gecreëerd voor het embryo.
Over het algemeen kan er op twee manieren gebruik gemaakt worden van het ei-model: in de eigen eierschaal of in een plastic schaaltje (foto 1: A: eierschaal, B: plastic schaaltje). Deze werden met elkaar vergeleken in ons onderzoek. Hieruit bleek dat beide methodes gelijkaardige resultaten gaven. Het werd echter al snel duidelijk dat het plastic schaaltje een pak gebruiksvriendelijker is. Er komt een mooier en groter oppervlak van het membraan vrij wanneer alles in het schaaltje wordt geplaatst. Bovendien kunnen er meerdere materialen op 1 membraan geplaatst worden, waardoor de vergelijking tussen materialen betrouwbaarder is. Er zijn eveneens minder eieren nodig op deze manier, wat bijdraagt aan een lagere kostprijs en de algemene efficiëntie.
Foto 1. A: inhoud in de eierschaal. B: inhoud in een plastic schaal.
Als we kijken naar de ethische bezwaren lijkt het gebruik van dit model ook een meerwaarde te bieden in vergelijking met muizen. Gezien het gaat om een embryo, kunnen er enkel eenvoudige prikkels verwerkt worden en is het bewustzijn minder groot in vergelijking met een volwassen muis. Bovendien is het membraan niet bezenuwd, waardoor er sowieso geen pijnprikkels het embryo zouden kunnen bereiken.
Tijdens mijn onderzoek werden kleine 3D-prints gemaakt uit gelatine, en deze werden nadien bezaaid met stamcellen, verkregen vanuit vetweefsel. De 3D-prints werden elk op een membraan geplaatst om te bekijken in welke mate er bloedvaten naartoe groeiden, en of deze zelfs tot in de 3D-prints zelf konden groeien (foto 2). In mijn thesis werden de omstandigheden om de bloedvatvorming het makkelijkste te kunnen beoordelen verder geoptimaliseerd.
Foto 2. Blauwe pijl: 3D print. Roze pijl: kippenembryo.
Toekomst?
In een ideale wereld zouden we het liefst alle weefsels nieuw kunnen printen vanuit stamcellen van patiënten. Hierbij gaat het zowel om weefsels voor orgaantransplantaties als over borstreconstructies na borstkanker. De details van het 3D-printen zouden ons te ver leiden, maar het is belangrijk om met alle verschillende factoren rekening te houden, zodanig dat de cellen de verschillende stappen van het printen overleven. We kunnen wel stellen dat het ei-model een zeer waardevol model kan zijn om de verschillende factoren verder te onderzoeken.
Hoewel het onderzoek al zeer veelbelovend is, zal er toch nog wat tijd nodig zijn vooraleer alles volledig op punt staat. Het ei-model komt met vele voordelen; het is een goedkoop model dat op een snellere manier, in vergelijking met muis-dierproeven, resultaten kan verkrijgen. Het is daarnaast ook mogelijk om een veelheid aan mogelijkheden met elkaar te vergelijken. Daarenboven voelen de embryo's geen pijn in het begin van hun ontwikkeling.
Zoals wellicht wel duidelijk werd doorheen het artikel: weefsels printen is nog niet voor morgen. Maar met dit onderzoek hopen we toch een stapje dichter bij betere geneeskunde en een meer diervriendelijke wereld te zetten. Wij zijn er alvast als de kippen bij.
Bibliografie
1. Câmara DAD, Shibli JA, Müller EA, De-Sá-Junior PL, Porcacchia AS, Blay A, et al. Adipose Tissue-Derived Stem Cells: The Biologic Basis and Future Directions for Tissue Engineering. Materials (Basel). 2020;13(14). 2. Merckx G, Tay H, Lo Monaco M, van Zandvoort M, De Spiegelaere W, Lambrichts I, et al. Chorioallantoic Membrane Assay as Model for Angiogenesis in Tissue Engineering: Focus on Stem Cells. Tissue Eng Part B Rev. 2020;26(6):519-39. 3. Eelen G, Treps L, Li X, Carmeliet P. Basic and Therapeutic Aspects of Angiogenesis Updated. Circ Res. 2020;127(2):310-29. 4. Mughal M, Sindali K, Man J, Roblin P. 'Fat chance': a review of adipose tissue engineering and its role in plastic and reconstructive surgery. Ann R Coll Surg Engl. 2021;103(4):245-9. 5. Katari RS, Peloso A, Orlando G. Tissue engineering. Adv Surg. 2014;48:137-54. 6. Stillaert F, Depypere B, Doornaert M, Creytens D, De Clercq H, Cornelissen R, et al. Autologous plasma and its supporting role in fat graft survival: A relevant vector to counteract resorption in lipofilling. J Plast Reconstr Aesthet Surg. 2016;69(7):952-8. 7. De Spiegelaere W, Casteleyn C, Van den Broeck W, Plendl J, Bahramsoltani M, Simoens P, et al. Intussusceptive angiogenesis: a biologically relevant form of angiogenesis. J Vasc Res. 2012;49(5):390-404. 8. Naito H, Iba T, Takakura N. Mechanisms of new blood-vessel formation and proliferative heterogeneity of endothelial cells. Int Immunol. 2020;32(5):295-305. 9. Hutchings G, Janowicz K, Moncrieff L, Dompe C, Strauss E, Kocherova I, et al. The Proliferation and Differentiation of Adipose-Derived Stem Cells in Neovascularization and Angiogenesis. Int J Mol Sci. 2020;21(11). 10. Doornaert M, Colle J, De Maere E, Declercq H, Blondeel P. Autologous fat grafting: Latest insights. Ann Med Surg (Lond). 2019;37:47-53. 11. Jankowski M, Dompe C, Sibiak R, Wąsiatycz G, Mozdziak P, Jaśkowski JM, et al. In Vitro Cultures of Adipose-Derived Stem Cells: An Overview of Methods, Molecular Analyses, and Clinical Applications. Cells. 2020;9(8). 12. Kamat P, Frueh FS, McLuckie M, Sanchez-Macedo N, Wolint P, Lindenblatt N, et al. Adipose tissue and the vascularization of biomaterials: Stem cells, microvascular fragments and nanofat-a review. Cytotherapy. 2020;22(8):400-11. 13. Brett E, Chung N, Leavitt WT, Momeni A, Longaker MT, Wan DC. A Review of CellBased Strategies for Soft Tissue Reconstruction. Tissue Eng Part B Rev. 2017;23(4):336-46. 14. Fukumura D, Ushiyama A, Duda DG, Xu L, Tam J, Krishna V, et al. Paracrine regulation of angiogenesis and adipocyte differentiation during in vivo adipogenesis. Circ Res. 2003;93(9):e88-97. 15. Song YH, Shon SH, Shan M, Stroock AD, Fischbach C. Adipose-derived stem cells increase angiogenesis through matrix metalloproteinase-dependent collagen remodeling. Integr Biol (Camb). 2016;8(2):205-15. 16. Theocharis AD, Skandalis SS, Gialeli C, Karamanos NK. Extracellular matrix structure. Adv Drug Deliv Rev. 2016;97:4-27. 17. Yue K, Trujillo-de Santiago G, Alvarez MM, Tamayol A, Annabi N, Khademhosseini A. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 2015;73:254-71. 18. Hoffman AS. Hydrogels for biomedical applications. Adv Drug Deliv Rev. 2002;54(1):3-12. 19. Hori H, Hattori S, Inouye S, Kimura A, Irie S, Miyazawa H, et al. Analysis of the major epitope of the alpha2 chain of bovine type I collagen in children with bovine gelatin allergy. J Allergy Clin Immunol. 2002;110(4):652-7. 20. Tytgat L, Markovic M, Qazi TH, Vagenende M, Bray F, Martins JC, et al. Photocrosslinkable recombinant collagen mimics for tissue engineering applications. J Mater Chem B. 2019;7(19):3100-8. 28 21. Báez J, Olsen D, Polarek JW. Recombinant microbial systems for the production of human collagen and gelatin. Appl Microbiol Biotechnol. 2005;69(3):245-52. 22. Tay H. A tale of blood vessels, mononuclear phagocytes and chicken embryos : the chick chorioallantoic membrane assay as model to study macrophages and angiogenesis. Merelbeke, Belgium: Ghent University; 2021. 23. Liu T, Weng W, Zhang Y, Sun X, Yang H. Applications of Gelatin Methacryloyl (GelMA) Hydrogels in Microfluidic Technique-Assisted Tissue Engineering. Molecules. 2020;25(22). 24. Garcia P, Wang Y, Viallet J, Macek Jilkova Z. The Chicken Embryo Model: A Novel and Relevant Model for Immune-Based Studies. Front Immunol. 2021;12:791081. 25. Moreno-Jiménez I, Kanczler JM, Hulsart-Billstrom G, Inglis S, Oreffo ROC. (*) The Chorioallantoic Membrane Assay for Biomaterial Testing in Tissue Engineering: A ShortTerm In Vivo Preclinical Model. Tissue Eng Part C Methods. 2017;23(12):938-52. 26. Nowak-Sliwinska P, Segura T, Iruela-Arispe ML. The chicken chorioallantoic membrane model in biology, medicine and bioengineering. Angiogenesis. 2014;17(4):779- 804. 27. Schlatter P, König MF, Karlsson LM, Burri PH. Quantitative study of intussusceptive capillary growth in the chorioallantoic membrane (CAM) of the chicken embryo. Microvasc Res. 1997;54(1):65-73. 28. Preis E, Schulze J, Gutberlet B, Pinnapireddy SR, Jedelská J, Bakowsky U. The chorioallantoic membrane as a bio-barrier model for the evaluation of nanoscale drug delivery systems for tumour therapy. Adv Drug Deliv Rev. 2021;174:317-36. 29. Nowak-Sliwinska P, Alitalo K, Allen E, Anisimov A, Aplin AC, Auerbach R, et al. Consensus guidelines for the use and interpretation of angiogenesis assays. Angiogenesis. 2018;21(3):425-532. 30. Ribatti D. The chick embryo chorioallantoic membrane (CAM) assay. Reprod Toxicol. 2017;70:97-101. 31. Zijlstra A, Lewis JD. Visualization and Quantification of De Novo Angiogenesis in Ex Ovo Chicken Embryos. In: Zudaire E, Cuttitta F, editors. The Textbook of Angiogenesis and Lymphangiogenesis: Methods and Applications. Dordrecht: Springer Netherlands; 2012. p. 217-40. 32. Winter G, Koch ABF, Löffler J, Lindén M, Solbach C, Abaei A, et al. Multi-Modal PET and MR Imaging in the Hen's Egg Test-Chorioallantoic Membrane (HET-CAM) Model for Initial in Vivo Testing of Target-Specific Radioligands. Cancers (Basel). 2020;12(5). 33. Eckrich J, Kugler P, Buhr CR, Ernst BP, Mendler S, Baumgart J, et al. Monitoring of tumor growth and vascularization with repetitive ultrasonography in the chicken chorioallantoic-membrane-assay. Sci Rep. 2020;10(1):18585. 34. Van Den Bulcke AI, Bogdanov B, De Rooze N, Schacht EH, Cornelissen M, Berghmans H. Structural and rheological properties of methacrylamide modified gelatin hydrogels. Biomacromolecules. 2000;1(1):31-8. 35. Kilarski WW, Petersson L, Fuchs PF, Zielinski MS, Gerwins P. An in vivo neovascularization assay for screening regulators of angiogenesis and assessing their effects on pre-existing vessels. Angiogenesis. 2012;15(4):643-55. 36. Kundeková B, Máčajová M, Meta M, Čavarga I, Bilčík B. Chorioallantoic Membrane Models of Various Avian Species: Differences and Applications. Biology (Basel). 2021;10(4).
