Driedimensionaal celkweeksysteem: cellen laten groeien zoals in het echte lichaam
Een driedimensionaal celkweeksysteem is een manier om menselijke of dierlijke cellen buiten het lichaam te laten groeien in een structuur die alle kanten op gaat, in plaats van plat op de bodem van een schaaltje. Vergelijk het met Lego: normale celkweek is als bouwen op één platte grondplaat, waarbij alle blokjes naast elkaar liggen. Een driedimensionaal systeem is als een bouwwerk met hoogte, waarbij blokjes ook boven, onder en naast elkaar zitten en van alle kanten contact maken. Cellen in een lichaam doen dat ook: een levercel wordt in het echt omringd door andere cellen, bloedvaten en een soort bindweefsel-skelet, niet door lucht aan de bovenkant.
Die extra dimensie blijkt enorm belangrijk voor hoe cellen zich gedragen. Cellen die plat groeien, gedragen zich vaak anders dan cellen in hun natuurlijke omgeving: ze delen sneller, reageren anders op medicijnen en missen signalen die ze normaal van buurcellen krijgen. Door cellen in drie dimensies te kweken, bijvoorbeeld in een gelachtige stof of met een 3D-printer, ontstaan structuren die qua vorm en functie meer lijken op een stukje echt weefsel of zelfs een miniorgaan. Dat maakt deze systemen waardevol voor onderzoek naar ziektes, het testen van medicijnen en op de langere termijn misschien zelfs voor het kweken van vervangend weefsel.
Wat is het precies?
Celkweek bestaat al sinds het begin van de twintigste eeuw. De klassieke methode heet monolaagkweek: cellen worden uitgezaaid op de bodem van een plastic schaaltje met voedingsvloeistof en groeien uit tot een dun, plat laagje van één cel dik. Dit is goedkoop, makkelijk te bekijken onder de microscoop en al decennia de standaard. Het probleem is dat een plat laagje cellen zich anders gedraagt dan weefsel in het lichaam, waar cellen van alle kanten omringd worden.
Bij driedimensionale celkweek geeft men cellen daarom een omgeving met structuur naar alle kanten. Dat kan op verschillende manieren. De eenvoudigste vorm is een sferoïde: cellen die spontaan samenklonteren tot een balletje, vaak gebruikt bij kankeronderzoek om een tumor na te bootsen. Een stap complexer is een scaffold of steigerstructuur: een sponsachtig materiaal, natuurlijk of synthetisch, waarop cellen zich hechten en uitgroeien in de openingen ervan. Veel gebruikt is ook een hydrogel, een waterrijke gelmassa zoals Matrigel (gemaakt van eiwitten uit muizencellen) of collageen, waarin cellen worden ingebed en vervolgens zelf gaan groeien en vertakken.
De meest geavanceerde variant is de organoïde: een structuur die ontstaat uit stamcellen die, mits ze de juiste voedingsstoffen en groeifactoren krijgen, zichzelf organiseren tot een miniversie van een orgaan, compleet met verschillende celtypen op de juiste plek. Daarnaast bestaat bioprinten, waarbij een 3D-printer laag voor laag "bio-inkt" spuit, een mengsel van cellen en gel, om een weefsel met een vooraf bepaalde vorm op te bouwen. Tot slot is er de organ-on-chip: een klein, met kanaaltjes doorsneden plaatje waarin cellen groeien terwijl er vloeistof doorheen stroomt, zodat ook mechanische signalen zoals bloedstroom of ademhalingsbeweging worden nagebootst.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is een beter model van menselijke biologie te krijgen dan de platte celkweek en de proefdiermodellen die onderzoekers al decennia gebruiken. Muizen en ratten verschillen op belangrijke punten van mensen, waardoor onderzoeksresultaten niet altijd overdraagbaar zijn. Driedimensionale menselijke celsystemen kunnen dat gat helpen dichten, zonder dat er meteen een mens bij betrokken hoeft te zijn.
Een concreet toepassingsgebied is het testen van medicijnen: voordat een nieuw geneesmiddel bij mensen wordt geprobeerd, wil men weten of het werkt en niet giftig is. Weefsel dat in 3D is gekweekt, reageert vaak realistischer dan platte cellen. Er wordt ook gewerkt aan gepersonaliseerde geneeskunde: een stukje weefsel van een individuele patiënt, bijvoorbeeld uit een tumor, wordt buiten het lichaam gekweekt om te testen welk medicijn bij die specifieke patiënt het beste aanslaat, voordat de behandeling echt wordt gestart.
Verder hopen onderzoekers dierproeven deels te kunnen vervangen door mensencellen te gebruiken in plaats van dieren, én op de langere termijn weefsel of zelfs organen te kunnen kweken voor transplantatie, zodat de tekorten aan donororganen kunnen afnemen. Dat laatste doel ligt nog ver weg, maar is wel een belangrijke drijfveer achter het onderzoeksveld.
Voorbeelden uit de praktijk
Een mijlpaal was het werk van de groep van Hans Clevers aan het Hubrecht Instituut in Utrecht, die in 2009 liet zien dat uit een enkele darmstamcel een complete, functionerende darm-organoïde kon groeien. Dit onderzoek legde de basis voor het huidige organoïdenveld en leidde tot de oprichting van HUB Organoids, een Utrechtse organisatie die een biobank van patiënt-organoïden beheert, onder meer voor kankeronderzoek en voor taaislijmziekte (cystic fibrosis).
Bij taaislijmziekte zijn darm-organoïden van patiënten met zeldzame genetische mutaties gebruikt om te voorspellen of bepaalde CFTR-modulerende medicijnen bij hen zouden aanslaan. Omdat er voor deze zeldzame mutaties te weinig patiënten zijn voor een klassieke klinische studie, hielpen deze laboratoriumtests mee om onderbouwing te leveren voor toegang tot behandeling bij een deel van deze patiëntengroepen in Europa. Dit is een van de meest concrete voorbeelden waarbij organoïden direct invloed hebben gehad op zorgbeslissingen.
In de Verenigde Staten werkt het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, onder leiding van chirurg Anthony Atala, al sinds de jaren negentig aan gekweekte weefsels. Bekend is de gekweekte blaas die bij patiënten werd geïmplanteerd en waarover in 2006 in het vaktijdschrift The Lancet werd gepubliceerd; het instituut doet inmiddels ook onderzoek naar bioprinten van huid voor brandwondenzorg.
Het bedrijf Organovo uit San Diego ontwikkelde met bioprinttechnologie een stukje kunstmatig humaan leverweefsel (ExVive), dat sinds ongeveer 2014 door farmaceutische bedrijven is gebruikt om de giftigheid van nieuwe stoffen op leverweefsel te testen.
Aan het Wyss Institute van Harvard University publiceerde de groep van bio-ingenieur Donald Ingber in 2010 een invloedrijk artikel in Science over een "long-op-een-chip": een microchip met levende longcellen waar lucht en vloeistof doorheen stromen om de ademhalingsbeweging na te bootsen. Dit werk leidde tot de oprichting van het bedrijf Emulate Inc., dat organ-on-chip-systemen commercieel aanbiedt aan onderzoekslaboratoria en farmaceutische bedrijven.
Hoe ver is de techniek?
Het ontwikkelstadium verschilt sterk per methode. Sferoïden en organoïden zijn inmiddels breed en routinematig in gebruik in laboratoria wereldwijd; er bestaan gestandaardiseerde protocollen en zelfs biobanken met organoïden van patiënten. Organ-on-chip-systemen worden steeds vaker gebruikt door de farmaceutische industrie voor het testen van medicijnveiligheid, en in de Verenigde Staten heeft de FDA (de Amerikaanse toezichthouder voor geneesmiddelen) inmiddels programma's om dit soort niet-dier-testmethoden te evalueren als aanvulling op, of gedeeltelijke vervanging van, traditionele diertesten. Met de Amerikaanse FDA Modernization Act 2.0 uit 2022 is de wettelijke verplichting om nieuwe geneesmiddelen eerst op dieren te testen versoepeld, wat de weg vrijmaakt voor bredere acceptatie van dit soort alternatieven, al gebeurt dat geleidelijk.
Bioprinten van eenvoudige, dunne weefsels zoals huid of kraakbeen lukt inmiddels redelijk goed. Het bioprinten van dikkere, complexe organen zoals een nier, lever of hart is echter nog grotendeels experimenteel. Het grootste technische obstakel is vascularisatie: het aanleggen van een netwerk van bloedvaatjes. Zonder bloedvaten kunnen zuurstof en voedingsstoffen maar een paar honderd micrometer diep in weefsel doordringen, waardoor de binnenkant van een dikker geprint orgaan afsterft voordat het functioneert. Onderzoekers werken aan oplossingen, maar een compleet, functioneel, transplanteerbaar orgaan uit de printer is op dit moment nog niet gerealiseerd.
Een ander punt van zorg is reproduceerbaarheid: organoïden en met Matrigel gekweekte weefsels kunnen van batch tot batch verschillen, onder meer omdat Matrigel een niet volledig gedefinieerd eiwitmengsel is dat uit tumorcellen van muizen wordt gewonnen. Er wordt gewerkt aan synthetische, beter gedefinieerde alternatieven om deze variatie te verkleinen.
Wie werken eraan?
Nederland speelt internationaal een prominente rol, vooral via het Hubrecht Instituut in Utrecht en de daaraan gelieerde organisaties, en via onderzoeksgroepen aan het UMC Utrecht en Radboudumc. Ook het MERLN Institute van Maastricht University richt zich op regeneratieve geneeskunde en biomaterialen voor weefselkweek.
In de Verenigde Staten zijn het Wyss Institute van Harvard University, het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en bedrijven als Emulate Inc. en Organovo belangrijke spelers. Het Amerikaanse National Institutes of Health (NIH) financiert via een eigen "Tissue Chip"-programma onderzoek naar organ-on-chip-technologie. Ook grote farmaceutische bedrijven investeren in deze technieken om hun eigen medicijnontwikkeling te verbeteren en dierproeven te verminderen. In Zweden is het bedrijf Cellink (onderdeel van Bico Group) bekend van bioprinters die wereldwijd aan laboratoria worden verkocht. Daarnaast zijn cosmeticabedrijven zoals L'Oréal actief met 3D-huidmodellen, mede doordat dierproeven voor cosmetica sinds 2013 in de Europese Unie verboden zijn.