Onderzoekers van Texas Tech University hebben levensechte 3D-geprinte tumormodellen ontwikkeld die als alternatief kunnen dienen voor dierproeven bij het testen van chirurgische beeldvormingstechnologieën. Deze zogenoemde fantoommodellen zijn ontworpen om de fysieke en optische eigenschappen van menselijke tumoren zo nauwkeurig mogelijk na te bootsen. De modellen zijn opgebouwd uit biologisch relevante stoffen zoals lipiden, hemoglobine, enzymen, tumorcellen en gelatine, en worden in uiteenlopende tumorvormen geprint.
Het onderzoek wordt geleid door Indrajit Srivastava, assistent-professor werktuigbouwkunde, in samenwerking met een multidisciplinair team van promovendi en studenten. Volgens Srivastava kunnen deze modellen uitkomst bieden bij het testen van afterglow-imaging. Dit is een innovatieve beeldvormingstechniek waarbij licht langer, tot 10 minuten, aanwezig blijft in tumorweefsel. Bovendien dringt het ook dieper door dan traditionele fluorescentiemethoden. Dit biedt chirurgen meer tijd en precisie bij het lokaliseren en verwijderen van tumoren tijdens operaties.
“Muizen zijn vaak geen geschikt model voor dit soort onderzoek, omdat hun huid te dun is om menselijke omstandigheden goed na te bootsen. Onze modellen zijn ontworpen met lagen die vergelijkbaar zijn met die van de menselijke anatomie, waardoor we realistischer kunnen testen”, legt Srivastava uit.
Betaalbaar, schaalbaar en klinisch relevant
Een belangrijk voordeel van de 3D-fantoommodellen is de herbruikbaarheid en schaalbaarheid. In tegenstelling tot dierproeven kunnen onderzoekers deze modellen vaker gebruiken, wat de betrouwbaarheid van onderzoeksresultaten vergroot en kosten verlaagt. Srivastava benadrukt dat de modellen kunnen helpen om de stap van laboratoriumonderzoek naar klinische toepassing te verkleinen, door een meer mensgerichte testomgeving te bieden.
Binnen het project werd anderhalf jaar aan data verzameld. Het rapport dat daaruit voortkwam is gepubliceerd in het vakblad ACS Nano. Hierin beschrijft het team hoe de modellen kunnen worden ingezet om de werking van NIR I/II-nanopartikels te testen voor gebruik bij fluorescentiegebaseerde chirurgie. De publicatie heeft al geleid tot samenwerkingen met onder andere Rice University en de University of Texas in San Antonio.
Optimalisatie bindmiddel en modellen
Srivastava werkt momenteel aan de optimalisatie van het bindmiddel in de modellen, zodat deze beter bestand zijn tegen temperatuurschommelingen tijdens transport. Daarnaast onderzoekt zijn lab hoe tumorcellen in het fantoommodel langer in leven kunnen blijven, zodat beeldvorming nog realistischer wordt en optische signalen nog beter overeenkomen met klinische situaties.
De ontwikkelingen aan bij de toenemende vraag van regelgevende instanties zoals de FDA en NIH naar mensgerichte onderzoeksmodellen. “Uiteindelijk draait het erom hoe goed een technologie zich vertaalt naar de operatiekamer. Onze modellen brengen dat doel een flinke stap dichterbij”, aldus Srivastava.
3D-technologie en -modellen
Het Utrechtse St. Antonius Ziekenhuis beschikt al geruime tijd over een 3D-lab dat het mogelijk maakt operaties beter, nauwkeuriger en in minder tijd uit te voeren. In het 3D-lab worden namelijk verschillende soorten 3D-modellen gemaakt die medisch specialisten helpen bij hun werk. Ook helpen de modellen de patiënten bij de uitleg over hun aandoening, behandelopties en de uitleg van de mogelijke uitkomsten van een behandeling.
Enkele jaren geleden hebben onderzoekers van de Universiteit Utrecht met een 3D-printer ‘stabiele inkt’, bestaande uit gelatine en alginaat, nauwkeurige nierbuisjes nagemaakt, die echt nierweefsel levensecht nabootsen. Deze modellen bevatten microkanaaltjes en vormen een 3D-omgeving waarin niercellen natuurlijk uiteenlopend gedrag vertonen, in tegenstelling tot traditionele 2D-celkweken. Die vinding heeft ertoe bijgedragen dat er minder dierproeven nodig zijn.
