Onderzoekers van UMC Utrecht werken aan innovaties op het gebied van bioprinten. Dit is het maken van functionerende weefsels en organen die gekweekt kunnen worden van cellen uit het lichaam van de patiënt zelf. Onlangs kwam het academische ziekenhuis met een drieluik over de stand van zaken van recent onderzoek naar toepassingen voor bioprinting: het printen van bloedvaten, het combineren van bioprinttechnieken en het toevoegen van signaalmoleculen aan een cel.
Er is al jaren een tekort aan geschikte donoren, stelt UMC Utrecht. Reden om te kijken naar de mogelijkheden om zelf vervangende weefsels en organen te maken. Maar bioprinten van weefsel is veel complexer dan 3D-printing van bijvoorbeeld kunststof objecten. Het printen van bijvoorbeeld cellen moet erg snel én voorzichtig plaatsvinden omdat cellen zeer kwetsbaar zijn. Traditioneel 3D-printen in laagjes gaat vaak te langzaam.
Daarom wordt er onder meer volumetrisch printen’ voor cellen ingezet. Deze techniek maakt gebruik van een lichtgevoelige gel die hard wordt zodra er een laser op schijnt. Door het laserlicht goed te mikken op een draaiend buisje kan er in enkele seconden een voorwerp gemaakt worden – met levende cellen erin.
Bioprinten van een bloedvat
Volumetrisch printen biedt een alternatief als het gaat om snelheid, maar niet als het gaat om stevigheid. En dat is wel nodig om bijvoorbeeld een bloedvat te maken dat tegen hoge bloeddruk bestand moet zijn. Onderzoekers van het Regenerative Medicine Center Utrecht combineerden daarom volumetrisch printen met ‘melt electrowriting’ (MEW-printen). Dit is een zeer nauwkeurige vorm van 3D-printen die werkt door een smal filament van gesmolten (biologisch afbreekbaar) plastic te richten. Zo zijn ingewikkelde structuren mogelijk die mechanisch sterk zijn en bestand zijn tegen flinke krachten.
Hoe het werkt: het proces begint met het maken van een buisvormige structuur via MEW-printen. Dit wordt dan ondergedompeld in gel en in de volumetrische bioprinter geplaatst. De laser van deze printer kan de gel aan de binnenkant, buitenkant en/of in de structuur zelf laten stollen. Zo ontstaan er diverse lagen.
Promovendus Gabriël Größbacher stelt dat het team er onder leiding van associate professor Riccardo Levato in slaagde om de printstructuur perfect in het midden te positioneren – elke afwijking betekent namelijk een verschuiving van de print. Door twee verschillend gekleurde stamcellen te gebruiken konden de onderzoekers in principe een bloedvat printen met twee lagen stamcellen in de wand en epitheelcellen om de binnenkant van het bloedvat te bedekken. Een volgende stap is dit proces zodanig in te richten dat er een echt, functionerend bloedvat ontstaat.
Functionele stukjes organen
De onderzoekers van het Regenerative Medicine Center Utrecht werken ook aan de ontwikkeling van functionele stukjes van organen. Hiervoor moet de bioprint signalen bevatten die specifieke soorten cellen aantrekken, of stamcellen ertoe aanzetten een bepaalde soort weefsel te worden - zoals een bloedvat.
Promovendus Marc Falandt is er samen met collega’s in geslaagd om na het maken van een eerste print zulke signaalmoleculen heel selectief toe te voegen, door ze te koppelen aan de printgel. Deze signalen functioneren als een soort ‘landkaart’ voor de cellen. Ze kunnen de juiste cellen aantrekken of stamcellen helpen hun regeneratieve potentieel te vervullen, vertelt Falandt: “Dit werk zet echt de eerste stappen in de ontwikkeling en karakterisering van materialen die biochemische bewerking in 3D mogelijk maken. In combinatie met de snelle volumetrische bioprinttechniek is deze aanpak veelbelovend voor het creëren van 3D-bioprints die het gedrag en de ontwikkeling van cellen kunnen sturen.”
Combineren van printtechnieken
Net zoals volumetrisch printen niet echt geschikt is als het gaat om stevigheid, is het nog niet mogelijk cellen heel gecontroleerd en nauwkeurig te plaatsen. Dit kan dan weer wel met het ‘klassieke’ extrusieprinten. Combinatie van de technieken lijkt logisch. De vraag is dan hoe je een gel kan maken die hard kan worden als er een laser op schijnt, maar waar óók nog een printerkop doorheen kan bewegen zonder die gel dan weer kapot te scheuren?
Hiervoor ontwikkelde promovendus Davide Ribezzi een korrelige, ‘granulaire gel.’ Hij omschrijft zo’n substantie als gel-microdeeltjes die stevig op elkaar zijn gepakt. Ze gedragen zich bij elkaar als een gel, maar hebben daarnaast nuttige individuele eigenschappen. “En omdat het losse deeltjes zijn, kan een printer erdoorheen bewegen.”
Volgens Ribezzi bevestigen experimenten met verschillende soorten cellen dat de korrelige gels meer biologische activiteit mogelijk maken na het printen, veel beter dan de vaste gels. Binnen acht dagen nadat ze in de gel waren geprint, konden stamcellen zich meer verspreiden, creëerden epitheelcellen meer verbindingen en maakten neuronen meer verbindingen met elkaar.
