Toekomst in zicht: Bloedvaten voor 3D-geprinte organen

Wat als we binnenkort onze eigen transplantatieorganen kunnen printen? De vraag naar orgaantransplantaties neemt steeds toe, tegelijk zijn er niet voldoende organen beschikbaar om aan die vraag te voldoen. Er is dus duidelijk een tekort aan orgaandonors. Alternatief, wordt de mogelijkheid tot het printen van organen bestudeerd. Echter, door ontbreken van een functioneel systeem van bloedvaten zijn we voorlopig beperkt tot microscopisch kleine orgaantjes. Strategieën ontwikkelen om dergelijke organen van bloedvaten te voorzien is dus essentieel om uiteindelijk transplantaties toe te laten.

3D-bioprinten

Het 3D-printen van voorwerpen in plastiek is inmiddels bekend bij een breed publiek. Het 3D-bioprinten gaat echter een stap verder: het gebruikt levende cellen en ondersteunende moleculen, wat ook bio-inkt wordt genoemd. Via een computerprogramma kunnen instructies naar de printer worden gestuurd om specifieke structuren te maken, opgebouwd uit meerdere lagen bio-inkt. Men kan de samenstelling van de bio-inkt, op zijn beurt ook wijzigen afhankelijk van de gewenste eigenschappen. Zo kan de bio-inkt bijvoorbeeld poreuzer worden gemaakt om diffusie of celmigratie toe te laten. 

Bloedvaten: levensbelangrijk

In het menselijke lichaam vinden we verschillende soorten bloedvaten. Enerzijds zijn er bloedvaten die organen voorzien van voedingsstoffen en de bloedtoevoer verzorgen vanuit het hart. Anderzijds zijn er bloedvaten die de afvalstoffen gaan afvoeren vanuit de organen. Verder wordt er ook een onderscheid gemaakt tussen macro- en microbloedvaten. De macrobloedvaten verzorgen de bulk transport van en naar het hart. Die bloedvaten zijn dan ook erg robuust en zijn in staat om een stevige bloedstroom te ondersteunen. De microbloedvaten, ook capillairen genoemd, daarentegen, dringen diep in de weefsels. Ter hoogte van de capillairen gebeurt de stoffenuitwisseling tussen het bloed en het orgaan. Deze bloedvaten hebben dan ook een diameter van slechts 5 – 10 micrometer en zitten vol kleine gaatjes waardoor molecules makkelijk kunnen diffunderen vanuit de bloedbaan naar de weefsels. 

Net zoals de organen in ons lichaam een uitgebreid netwerk van bloedvaten hebben, hebben 3D-gefabriceerde organen ook een dergelijk vasculair netwerk nodig. Hoewel verscheidene methoden al enige vooruitgang hebben geboekt, zijn ze beperkt tot macrobloedvaten.

Puzzelen met cellen

De meeste 3D-bioprinters kunnen de resolutie van microbloedvaten niet bereiken, ze zijn gewoonweg niet in staat om zo klein te printen. Daarom dient men op zoek te gaan naar alternatieve methoden. Vaak ligt de focus op de zogenaamde “self-assembly” strategieën, waarbij de aanwezige cellen aangezet worden tot heroriëntatie, wat leidt tot bloedvatvorming. In een “self-assembly” methode is het van cruciaal belang om groeifactoren te incorporeren in het systeem. Groeifactoren zijn eiwitten die cellen kunnen doen groeien of veranderen. Door groeifactoren in het systeem te combineren met bloedvatcellen, zou men ze kunnen stimuleren tot het vormen van nieuwe bloedvatnetwerken vergelijkbaar met wat er in het menselijke lichaam gebeurt. 

Recente doorbraak 

Bloedvaten bioprinten vereist het zo accuraat mogelijk nabootsen van hun natuurlijke omgeving. Om die reden heeft een recent werk daarrond een bio-inkt gerapporteerd verrijkt met elastine. Elastine is een belangrijk component van de bloedvatwand dat de ze extra elastisch maakt.

Naast een nieuwe bio-inkt, werd ook het gebruik van VEGF-producerende cellen gerapporteerd. Dergelijke cellen werden bekomen door cellen te isoleren uit de patiënt en vervolgens een gen in te brengen die specifiek instaat voor de aanmaak van een bepaalde groeifactor. Hierbij werd speciale aandacht gevestigd op de vorm waarin dit gen werd toegediend aan de cellen. Hiervoor werd een RNA molecule gebruikt die zelf instaat voor eigen vermenigvuldiging binnen de gastheercel. Zo’n RNA molecule zal binnen de gastheercel de nodige proteïnes produceren.

Het zelfstandig vermenigvuldigen van de RNA molecule op zijn beurt verlaagt aanzienlijk de hoeveelheid dat initieel nodig is. Dit omdat de meerderheid van de uiteindelijke RNA molecules binnen de cel zelf wordt aangemaakt.

In het project werd een RNA molecule binnengebracht dat informatie draagt voor de aanmaak van VEGF, een bloedvatstimulerende groeifactor. Deze VEGF-producerende cellen vertoonden gunstige proteïne productie en leken de RNA-introductie te overleven. Dit was natuurlijk goed nieuws, maar wilde nog niet zeggen dat het systeem ook bloedvat vorming kan stimuleren. Daarvoor waren extra testen nodig waarin de VEGF-producerende cellen gecombineerd werden met vasculaire celaggregaten ingebed in een bio-inkt.

Op lange termijn, zou het doel zijn om patiënteigen cellen groeifactoren te doen produceren voor bloedvatvorming in het 3D-gefabriceerde orgaan bestemd voor diezelfde patiënt. Hoewel de eerste resultaten veelbelovend zijn, is er nog veel onderzoek nodig om deze technologie naar de kliniek te brengen.