3D-bioprinten: toepassingen & toekomst

3D-bioprinten. Hoe ver is deze technologie? Worden in Nederlandse ziekenhuis al organen zoals een hart, lever, oren of nieren geprint? Wat zijn voorbeelden en toepassingen? Wat is de toekomst van 3D-bioprinten en regeneratieve geneeskunde.

Wat is 3D bioprinten?

Wat is de definitie van 3D bioprinten? In 2016 heeft de COGEM de Trendanalyse Biotechnologie uitgebracht. Daarin was 3D bioprinten één van de trends in biotechnologie. De definitie die de onderzoekers geven is als volgt: ‘3D bioprinting is een multidisciplinair vakgebied waarbij techniek, biologie, chemie en wiskunde worden toegepast om een of meerdere soorten levend weefsel, structuren of biomedische implantaten te genereren met behulp van 3D printtechnologieën.’

Het UMC Utrecht beschikt zelfs over een biofabrication facility. Deze instelling richt zich op 3D bioprinten en is onderdeel van diergeneeskunde [link onderin].

Organen printen

Hoe lang duurt het nog voordat chirurgen een nieuwe neus kunnen printen of voordat onderzoekers een exacte kopie van mijn hart uit de printer kunnen halen? Dit gaat snel, maar ook weer niet zo snel als je wellicht verwacht (en hoopt).

Rond 3D-bioprinten zijn namelijk nogal wat aspecten van belang: het materiaal (kunststof of lichamelijk weefsel zoals kraakbeen en vetstamcellen), het ontwerp (wat moet er geprint worden), de printer zelf en de patiënt zelf natuurlijk.

Weefsel printen

3D-printen is al langer bekend. 3D printen is één van de technologische trends die leidt tot Singularity, de samenballing van allerlei technologie die elkaar weer versterken. Experts zeggen dat 3D-printen leidt tot een revolutie in het productieproces. Je bent immers niet meer afhankelijk van modellen en maten die per se op grote schaal geproduceerd moeten worden. Of denk aan transport. Als ik thuis mijn schoenen kan printen, dan hoeven die niet meer met een boot uit China te worden vervoerd.

Hoe werkt 3D-printen? Grondstoffen worden gesmolten en worden laag voor laag geprint. Daardoor kun je dus ook unieke (en complexe) vormen en maten maken. Zelf heb ik ook al een keer wat producten uit een 3D-printer gehaald.

Oké, dat klinkt mooi. Maar is het daarmee ook mogelijk om weefsels en organen te printen? Een beetje gekscherend: wanneer kan ik mijn nieuwe lever via internet bestellen?

Expert 3D-bioprinten

In 2016 organiseerde ik een Meetup over dit onderwerp. Na een introductie van mij over het biohacking en 3D-bioprinten geef ik het woord aan Ernst Jan Bos. Ernst Jan werkt als arts-onderzoeker bij het MOVE Research Institute en het VUmc in Amsterdam. Hij kwam in 2013 uitgebreid in het nieuws met zijn project om een 3D-printer te kopen.

Met die printer zou het mogelijk worden om oren te printen voor brandwondenslachtoffers. Ernst Jan plaatste hiervoor een oproep op een crowdfundingplatform. Voor dit project werkte hij samen met het VUmc en de Brandwonden Stichting.

Dit waren de thema’s van de meetup.

• Wat is regeneratieve geneeskunde?
• Hoe is het crowdfunding project verlopen?
• Hoe zet het VUmc de 3D bioprinter nu in?
• Welke vormen zijn er binnen 3D bioprinten?
• Kunnen we kunststoffen inzetten om te helpen bij regeneratieve geneeskunde?
• Hoe ver is de technologie om echt lichamelijk weefsel te printen?
• Voorspelling: wanneer kunnen we een menselijk hart printen?

Hierna volgt een verslag van de Meetup.

Oplossing donortekort

Je denkt er misschien niet zoveel over na, maar zowel esthetisch als functioneel gezien, zijn oren heel belangrijk voor een mens. Daar begon de presentatie van Ernst Jan mee, na een korte inleiding van mij. Zijn promotieonderzoek was gestart vanuit het probleem dat mensen hun oren waren verloren of dat deze ernstig waren verminkt. Hoe kan 3D-printen het donortekort oplossen?

Oren lijken soms het summum van geneeskunde te zijn

Ernst Jan Bos

Ernst Jan: ‘Oren lijken soms het summum van geneeskunde te zijn’. Hij noemt dat elk jaar wel in de media komt dat ergens oren zijn geprint of gekweekt. Dit begon met de muis van Vacanti in 1997 [link onderin].

Zonder het werk van de onderzoekers te bagatelliseren laat hij zien dat er best wat nuancering zit aan deze publicaties. Een oor die uit de printer rolt? Dat is nog wel even toekomstmuziek.

Stamcellen, kraakbeen en buikvet

Hoe werkt dat dan wel? De onderzoekers binnen zijn onderzoeksgroep werken met een mix van stamcellen (80%) en kraakbeencellen (20%). Dit kan geen kraakbeen zijn uit de neus of uit de knieën. Gelukkig is er bijna altijd nog kraakbeen van het oor aanwezig bij de patient.

Qua stamcellen gebruiken ze liever die uit buikvet dan embryonale stamcellen. Deze zijn namelijk te onstabiel, ze kunnen zich in allerlei cellen ontwikkelen.

De stamcellen uit het buikvet moet je harder manipuleren, maar die kun je beter een bepaalde kant uitduwen. Met andere woorden, je loopt minder risico dat de cellen uitgroeien tot oogcellen.

Oren groeien in je buik

Vervolgens wordt het oor in een mal uitgerijpt. Hiervoor gebruiken de onderzoekers een mal, omdat cellen nadat ze gevormd zijn ook nog de neiging hebben om te krimpen of te vervormen. De stap naar daadwerkelijk transplanteren is ook nog lastig. In theorie moet een gefabriceerd oor eerst in een voedingsrijke omgeving worden uitgerijpt. Hiervoor lijkt de buik het meest geschikt.

Ik vind dat best bizar klinken. Dat jij je nieuwe oor opkweekt in je buik. Andere opties volgens Ernst Jan zijn bioreactoren waarin organen verder kunnen groeien [link onderin]. Het enige nadeel is dat deze best prijzig zijn.

Toekomst

De conclusie van Ernst Jan was dat het volledig 3D-printen van organen nog even op zich laat wachten. Dat komt omdat voor het printen een combinatie nodig is van de juiste materialen, een goed ontwerp, slimme software en de juiste opbouw van de geprinte materialen. Je moet het zo zien: als je één van deze variabelen aanpast, dan heeft dat weer invloed op de andere variabelen.

Hij noemt wel dat de wetenschap zich snel ontwikkelt. Zo zijn er onderzoekers bezig met bioinkt als materiaal voor in de 3D bio printer [link onderin]. Toch gelooft hij dat de toekomst ligt in hybride vormen. In combinaties van verschillende technologieën en materialen.

Dat je een exacte kopie van je lever uit een 3D-printer kan halen? Dat duurt dus nog even.

---

Na de meetup staan de ontwikkelingen op het gebied van 3D-bioprinten niet stil. Hieronder staan een paar doorbraken beschreven op het gebied van 3D-bioprinten en aanverwante technologieën.

Hart printen

In april 2019 verscheen het nieuwsbericht dat onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv in Israël een hart hebben gemaakt met een 3D-bioprinter [link onderin].

Onderzoeksleider professor Tal Dvir geeft aan dat het de eerste keer is dat iemand een volledig hart heeft gebouwd en geprint. ‘Dit is vol met cellen, bloedvaten, holtes en kamers’.

Hart mens

Hoe lang duurt het dan dat een hart van de mens kan worden geprint? De wetenschappers geven zelf aan dat hun huidige project te vergelijken is met met het hart van een embryo. De cellen moeten ook nog getraind worden in hun pompvaardigheid. Vandaar dat de onderzoekers het geprinte hart willen transplanteren naar een konijn of rat om de werking verder te onderzoeken.

Aan de andere kant zijn er aspecten aan dit onderzoek dat maakt dat toepassing bij mensen wellicht wel sneller gaat. Zo is het hart geprint met menselijke stamcellen in de vorm van bioinkt. Het hart is gemaakt op basis van een 3D model van een hart. Ten opzichte van regulier 3D-printen bevat het vat waarin het hart wordt gebouwd een medium om de constructie te ondersteunen.

---

Bloedvaten printen

In maart 2017 verscheen een artikel dat onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego (Verenigde Staten) met een 3D-bioprinter een levensecht en werkend stelsel van bloedvaten hadden gemaakt.

Volgens hen is dit een belangrijke stap naar het kweken of printen van organen, omdat de bloedvaten zorgen voor het toevoer van energie en de afvoer van afval uit de cellen en weefsels.

Ze hebben hiervoor een ingenieus systeem gemaakt. Eerst wordt een 3D model gemaakt van het weefsel. Vervolgens worden laag voor laag levende cellen geprint op een polymeren basis. Een computerprogramma werkt de cellen bij met behulp van UV licht en kleine spiegels.

---

4D printen

Wat is 4D-printen? Een object dat 4D is geprint, kan later nog van vorm veranderen. Een voorbeeld is een stent die in een bloedvat wordt ingebracht, om te ontvouwen als het bij de kransslagader is aangekomen.

Dit wordt al toegepast met kunststoffen, maar wetenschappers werken ook al aan 4d-bioprint toepassingen zoals bloedvaten die later van vorm veranderen [link onderin]

---

Mini organen

In laboratoria worden mini organen gekweekt, de zogenaamde ‘organoids’. In Utrecht is de onderzoeksgroep van moleculair bioloog Hans Clevers hier toonaangevend in. Met deze mini organen wordt getest of geneesmiddelen wel of niet aanslaan.

De reden, zo staat in een artikel in De Groene Amsterdammer, is dat ze handig zijn voor het bestuderen van ziekteprocessen, want ze zijn menselijker dan proefdieren en lijken meer op echte organen dan cellen in een kweekschaaltje [link onderin].

Organoids

Wat nog bijzonderder is: op basis van een huidcel van een patiënt kunnen ze persoonlijke mini organen maken met hetzelfde genetische materiaal waarop ze vervolgens verschillende medicijnen kunnen uitproberen. Zij deden dit voor een Nederlandse jongen met taaislijmziekte. De verzekeraar weigerde het dure medicijn te vergoeden, omdat de kans groot was dat het niet zou aanslaan. Het middel werkte op de organoid en daarna ook bij de patiënt.

Het is trouwens niet mogelijk om dit voor elk orgaan te doen. Voor het hart en de hersenen kan het momenteel nog niet. Een indirecte methode is om de huidcellen om te zetten naar stamcellen. Volgens hoogleraar Christine Mummery van het Leids Universitair Medisch Centrum is dit nu nog erg bewerkelijk en duur.

---

Transplantatie organen

Tijdens de meetup bleek al dat de transplantatie van gekweekte organen nog een grote uitdaging is. Medio 2018 is het nog niet mogelijk om organen voor transplantatie te kweken. Wel worden er interessante onderzoeken gedaan, onder meer in het Leids Universitair Medisch Centrum. Daar proberen wetenschappers om gedoneerde nieren die niet goed genoeg zijn voor transplantatie te strippen van alle cellen.

Wat dan overblijft is de matrix, een soort van mal. Daar worden stamcellen van de patiënt op gezaaid die nieuwe niercellen vormen. In theorie kan dit donornieren opleveren met lichaamseigen cellen wat de kans op afstoting verlaagt. In hetzelfde artikel in De Groene Amsterdammer zegt Christine Mummery dat ze meer verwacht van het kweken van kleine delen van organen, zoals een stukje alvleesklier of het inspuiten van losse cellen gekweekt uit stamcellen.

---

Xenotransplantatie

Een andere oplossing voor het donorprobleem is xenotransplantatie. In augustus 2017 presenteerde het Amerikaanse bedrijf eGenesis 37 genetisch opgeschoonde biggetjes [link onderin]. De organen in varkens hebben ongeveer dezelfde omvang als mensen.

Het probleem is dat het DNA van varkens vol met ingebouwde virussen zit. Het bedrijf eGenesis is het gelukt om de retrovirussen op 62 plekken in het genoom van de varkens te verwijderen. De volgende stap is om het DNA nog verder te wijzigen zodat het menselijk lichaam de getransplanteerde organen uit de varkens niet afstoten.

Straks kun je perfecte organen transplanteren, die speciaal voor jou in een varken zijn gekweekt.

George church

George Church, één van de oprichters van het bedrijf, is optimistisch. In een podcast interview met After On zei hij: ‘Straks kun je perfecte organen transplanteren, die met de beste set aan genen, speciaal voor jou in een varken zijn gekweekt’.

---

Veelgestelde vragen

In januari 2018 werd ik benaderd door studenten van de Technische Universiteit Eindhoven. Zij deden onderzoek naar de toepassing van 3D-bioprinten. Ik heb besloten hun vragen en mijn antwoorden onder dit artikel te publiceren.

• Als iemand een 3D geprint orgaan heeft, zie je dat dan als onderdeel van iemands lichaam?

Ja, ik zou het wel beschouwen als onderdeel van de mens. Daarvoor zijn twee redenen. Ten eerste is het proces van teruggang en groei natuurlijk voor het menselijk lichaam. Cellen en organen in het lichaam worden continu vervangen. Een bruikbare metafoor om hiernaar te kijken is de boot van Delphi.

Een tweede reden is dat we het menselijk lichaam steeds meer zullen gaan bekijken als een machine zoals een auto. Als een onderdeel kapot is, dan probeer je het te maken of anders te vervangen.

• Wat zijn de ethische kwesties die spelen rond 3D bio printen?

De twee grootste ethische dilemma’s zijn sociale ongelijkheid en human enhancement. Met sociale ongelijkheid bedoel ik dat deze technologie, zeker in het begin, alleen verkrijgbaar is voor rijkeren. Zijn zij dan als enige in staat om langer te leven?

Het tweede punt is human enhancement. Nu gebruiken we deze technologie nog voor mensen met een ziekte, aandoening of gebrek (zoals het missen van een oor of neus). Maar wat als we organen straks kunnen verbeteren, zoals een lever die beter alcohol aan kan, een hart die meer kracht heft of gemodificeerde oren waarmee je beter kan horen.

• Zou er een selectieproces moeten gelden voor patiënten die een 3D geprint orgaan zouden moeten krijgen of zou iedereen dat recht moeten hebben? 

Zeker in het begin zou er een selectieprocedure moeten zijn voor patiënten. De reden hiervoor is dat de capaciteit van 3D bio printen dan nog beperkt wordt tot ziekenhuizen. Op langere termijn dan is het 3D-bioprinten wellicht even makkelijk als regulier 3D-printen nu is. Dan wordt het iedereens eigen individuele keuze. 

• Denk je dat alle organen in aanmerking moeten komen voor 3D bio printen? Of zouden er uitzonderingen moeten zijn?

Ik denk dat alle organen in principe geprint kunnen worden, tenzij de wetenschap ooit tot de ontdekking komt dat er zoiets als de ziel of iemands bewustzijn een fysieke plek in het lichaam of orgaan heeft. In dat geval kan ik me voorstellen dat hier anders over gedacht wordt.

Vanuit dat perspectief kan ik me ook voorstellen dat hersenen in principe niet geprint zullen worden, los van het feit dat het waarschijnlijk het meest lastige orgaan is (en zullen we daar eerder met electronica en ‘brain computer interfacing’ op ingrijpen).

Wat al wel geprint kan worden zijn schedels. Zo werd in 2014 bij een patiënte met schedelbotziekte in het UMC Utrecht de complete schedel operatief verwijderd en vervangen door een kunstmatige prothese [link onderin]. Het bijzondere hiervan is dat deze schedel werd gemaakt met een 3D-printer.

• Sommige specialisten zijn bang dat 3D-bioprinten gebruikt zal worden voor human enhancement. Zie jij deze ontwikkeling ook? 

Ja, dit gaat absoluut gebeuren. Technologie wordt in eerste instantie gebruikt om zieken te helpen. Zo werd plastische chirurgie in het begin gebruikt om soldaten te helpen die met verminkingen terugkwamen van het front. Nu maakt bijvoorbeeld 50% van de vrouwen in Zuid-Korea tussen de 20 en 30 jaar hier gebruik van [link onderin naar een artikel over human enhancement].

• Denk jij dat 3D bio printen ook vergoed zou moeten worden door zorgverzekeraars?

Dit is een politiek, maatschappelijk en economisch vraagstuk. Wat mij betreft kan iedereen hier gebruik van maken, maar waarschijnlijk zal dit in eerste instantie afhankelijk zijn van het land, de zorgverzekeraar, de aandoening (de diagnose van de medisch specialist), de leeftijd van de patiënt, het type orgaan en nog veel meer variabelen.

• In ontwikkelingslanden verkopen mensen soms hun organen. Denk je dat 3D-bioprinten hier een oplossing voor kan zijn? 

Ja, 3D-bioprinten is vooral een oplossing voor het orgaantekort. Overigens denk ik dat het waarschijnlijk een mix zal zijn, waarbij per orgaan wordt bekeken of een geprint orgaan de beste oplossing is, een mix van biologisch en technologisch en soms alleen electronisch (bijvoorbeeld een elektronische nier of een pacemaker). Een andere ontwikkeling is dat organen voor mensen worden opgekweekt in dieren, zoals varkens.

Tot slot, een lijst met bronnen.

Bronnen

Eerder schreef ik deze artikelen op mijn blog die gerelateerd zijn aan dit thema:

• Innovatie gezondheidszorg
• Wat is biotechnologie?
• Wat is synthetische biologie?

Dit zijn externe artikelen die ik heb gebruikt:

• Artikel over Vacanti muis
• Artikel over bioreactoren
• Artikel over bioinkt
• Artikel over hart printen
• Onderzoek San Diego naar 3d printen bloedvaten
• Website UMC Utrecht
• Artikel De Groene Amsterdammer
• Artikel xenotransplantatie
• Artikel 3D geprinte schedel
• Artikel 4D bioprinten

PS. Wil je me inhuren voor een lezing over workshop over dit onderwerp? Doe dan een boekingsaanvraag!

Wat wil jij weten over 3D bioprinten? Laat het me weten in de comments!