| Bedrijf | Plaats Producten
in de pijpleiding |
| Geavanceerde weefselwetenschappen | La Jolla, Californië | Huid (TransCyte, Dermagraft); kraakbeen, ligamenten en pezen; bloedvaten en hartkleppen |
| Genzyme biochirurgie | Cambridge, Massachusetts | Kraakbeencellen; kraakbeentransplantaat (Carticel II) |
| CryoLife | Kennesaw, GA | Hartkleppen en bloedvaten; ligamenten |
| Jij geeft om | Cambridge, Massachusetts | Kraakbeengel om urinereflux te voorkomen (Chondrogel); blaas |
| Levenscel | Branchburg, New Jersey | Huid (AlloDerm); aderen; ligamenten en pezen |
| organogenese | Canton, Massachusetts | Huid (Apligraf, Vitrix); aderen |
bloedlijnen
Belangrijke vooruitgang op dat front kwam twee jaar geleden, toen MIT biomedische ingenieurs Robert Langer en Laura Niklason (nu in het Duke University Medical Center) hele bloedvaten groeiden uit een paar cellen die waren verzameld van varkens. Niklason, die de inspanning leidde en veel van het werk deed tijdens een verblijf in het laboratorium van Langer, begon met het nemen van kleine biopsieën uit de halsslagaders van zes maanden oude miniatuurvarkens. Ze isoleerde gladde spiercellen uit elk weefselmonster en gebruikte die cellen om het buitenoppervlak van een buisvormige steiger te zaaien die was gebouwd van een biologisch afbreekbaar polymeer dat wordt gebruikt in hechtingen. Vervolgens kweekte Niklason elk nieuw vat in zijn eigen speciale groeikamer, een bioreactor genaamd. Bioreactoren zijn standaard in tissue engineering, maar in dit geval was er een wending.
Zoals Langer uitlegt, hebben we deze kleine pompjes opgezet die kloppen als een hart en ze verbonden met de kunstmatige bloedvaten. De onderzoekers ontdekten dat de pulsatie de spiercellen aanmoedigde om naar binnen te migreren, microscopisch kleine fragmenten van het polymeer omhullend en uiteindelijk de bloedvaten veel sterker maakte. Nadat ze de bloedvaten enkele weken in de pulserende omgeving hadden laten groeien, voegden ze endotheelcellen toe - de dunne, platte cellen die de binnenkant van veel weefsels bekleden, inclusief bloedvaten - aan hun binnenoppervlakken, en ze groeiden ze nog een paar dagen.
Die ene verandering heeft alles totaal veranderd, zegt Langer. We waren in staat om bloedvaten te maken die eruitzagen als echte bloedvaten. Ze functioneerden ook als echte bloedvaten en bleven enkele weken open en klontervrij toen de onderzoekers ze in grote slagaders in de varkenspoten enten. De sleutel om dit te laten werken was om na te bootsen wat het lichaam deed door de bloedvaten te laten groeien in een omgeving die net zo pulseerde als een echte bloedsomloop, zegt Langer.
Beagleblazen en menselijke harten
Zelfs zonder de technologie om uitgebreide vasculaire systemen te bouwen, heeft één door weefsel ontwikkeld orgaan het bijna helemaal tot menselijke proeven gemaakt: de blaas. Anthony Atala, een uroloog en directeur van tissue engineering in het Children's Hospital, Boston, besloot gedeeltelijk te proberen een blaas te bouwen omdat dit in het begin het gemakkelijkste orgaan leek. In historisch werk dat eind jaren negentig werd gedaan, bouwde het team van Atala nieuwe blazen voor zes beagles. De onderzoekers begonnen met het nemen van een biopsie van een vierkante centimeter uit de natuurlijke blaas van elke hond, waarbij de voeringcellen en de spiercellen van de biopsie werden geïsoleerd en elk celtype afzonderlijk werd gekweekt.
Na een maand had Atala's team genoeg cellen - 300 miljoen van elk type - om een kunstmatige blaas te bouwen. Ze gebruikten de spiercellen om de buitenkant van een blaasvormige polymeersteiger te omhullen en de voeringcellen om de binnenkant te bedekken. De onderzoekers implanteerden elke nieuwe blaas in een hond na het verwijderen van de eigen blaas van de hond. De onderzoekers ontdekten dat niet alleen bloedvaten van het omringende weefsel in de weefsel-engineered blaas groeiden en de weefsels ervan gezond hielden, maar de honden hadden ook bijna net zoveel blaascapaciteit als honden met originele uitrusting.
Het vroege werk ging zo goed dat Atala en Cambridge, MA-gebaseerde Curis hopen ergens dit jaar te beginnen met de eerste tests van de nieuwe blaas bij mensen. Toch is Atala realistisch over wat hij al heeft bereikt. Om te beginnen heeft hij nog geen antwoord gegeven op de vraag hoe lang een bio-engineered blaas meegaat. Met de blaas zal het enkele jaren duren voordat we weten wat de langetermijnresultaten zullen zijn, legt hij uit. We hebben zeker een goede geschiedenis met de huid. Twintig jaar later weten we dat het goed is. Met kraakbeen in de knie hebben we een geschiedenis van vier of vijf jaar vanaf het moment dat het voor het eerst bij patiënten werd geplaatst. Maar met de blaas, zegt Atala, weten we het gewoon niet.
Ondertussen is Atala's laboratorium begonnen met het aanpakken van de nier en heeft het al kleine nierachtige eenheden gebouwd die urine kunnen produceren. Maar aangezien de nier een zeer complexe structuur is die maar liefst 20 verschillende soorten cellen omvat, moeten onderzoekers veel technische hindernissen nemen voordat ze organen op ware grootte kunnen maken voor de bijna 48.000 mensen die alleen al in de Verenigde Staten op niertransplantatielijsten wachten .
Weefsel-engineering van een hart zal ook een formidabele taak zijn, maar er zijn een aantal redenen om aan te nemen dat er in de niet al te verre toekomst concrete stappen in die richting zullen worden gezet. Om te beginnen bestaat het hart uit minder dan 10 verschillende celtypen. Misschien nog belangrijker, er zijn twee grote onderzoeksconsortia die zich op het orgel richten. Een daarvan is het LIFE-initiatief (for Living Implants from Engineering), begonnen in 1998 en gecoördineerd door Michael Sefton van de Universiteit van Toronto, met de hulp van een stuurgroep die bestaat uit Vacanti van het Massachusetts General Hospital en Langer van het MIT. Het initiatief heeft 60 academische en overheidsonderzoekers uit Noord-Amerika, Europa en Japan samengebracht om te werken aan de kritieke pomp van het lichaam. Sefton zegt: als we het hart kunnen oplossen, zullen de andere organen volgen.
Sefton geeft grif toe dat een project dat zo enorm is als het bouwen van het hart op het eerste gezicht belachelijk is. Toch gelooft hij dat door het werk op te splitsen in deeltaken, bijvoorbeeld het isoleren van menselijke hartspiercellen of het bouwen van flexibele steigers om die cellen te ondersteunen, een consortium van onderzoekers dit zal kunnen realiseren.
Dat model wordt ook getest, zegt Sefton, in een samenwerking tussen universiteit en industrie onder leiding van de Universiteit van Washington. Het University of Washington-project, gefinancierd door een subsidie van $ 10 miljoen van de National Institutes of Health en met meer dan 40 onderzoekers, heeft zijn onderneming opgedeeld in een reeks doelen. De eerste is om een weefsel-engineered patch te maken die op een beschadigd hart kan worden geënt. Op langere termijn hopen de onderzoekers implanteerbare linkerventrikels te bouwen, een doel dat Sefton ziet als een mini-moonshot dat binnen het decennium zou kunnen worden bereikt. Maar een volledig functioneel biotechnologisch hart, zegt Sefton, zal waarschijnlijk miljarden dollars kosten - en noch het LIFE-initiatief, noch de Universiteit van Washington heeft dat soort geld tot nu toe ingezameld.
Rechtstreeks uit de fabriek
Uiteindelijk zal elke methode voor het bouwen van nieuwe menselijke organen goedkeuring moeten krijgen van de Amerikaanse Food and Drug Administration. En dat betekent dat orgelbouwers een gestandaardiseerd, reproduceerbaar productieproces nodig hebben, zegt MIT-bio-ingenieur Linda Griffith. Om dat doel te bereiken, hebben Griffith en haar collega's zich gewend tot een apparaat dat is uitgevonden door MIT-ingenieur Emanuel Sachs en wordt gebruikt voor snelle prototyping en de vervaardiging van een verscheidenheid aan onderdelen en gereedschappen: een driedimensionale poederprinter of 3DP-machine.
De machine bouwt laag voor laag complexe vormen op, gebaseerd op een computerbestand dat het object kan weergeven als een reeks horizontale plakjes. Een roller duwt een dun laagje poeder over een vlakke grondplaat die op een zuiger rust. Vervolgens verdeelt een inkjetprinterkop een lijm of bindmiddel om het poeder alleen te laten stollen waar de blauwdruk voor dat plakje vast materiaal vereist. De zuiger ratelt vervolgens de plaat naar beneden met de dikte van de laag en het proces begint opnieuw. Als alle lagen zijn afgedrukt, kan het nieuwe object uit de machine worden verwijderd en valt het overtollige poeder weg.
Door de printer aan te passen om polymeerpoeders, meerdere printkoppen en speciale bindmiddelen te gebruiken, creëerden Griffith en haar medewerkers een tool die in staat is om polymeersteigers voor nieuwe weefsels en organen in massa te produceren. De printer stelt de onderzoekers niet alleen in staat om de vorm van een steiger met grote precisie te controleren, het stelt hen ook in staat om chemische modificaties in het oppervlak van de structuur in te bouwen die verschillende soorten cellen helpen precies te vertellen waar en hoe ze moeten groeien.
Het is precies dat soort fijne controle dat weefselingenieurs kan helpen zelfs de meest gecompliceerde organen te veroveren. Inderdaad, Griffith is nu, samen met Vacanti en Princeton, Therics uit NJ, bezig met het uitwerken van manieren om levers en andere organen te vervaardigen met driedimensionaal printen. Griffith weet al veel over het kweken van leverweefsel; ze werkte aan de details terwijl ze leiding gaf aan een poging om een op levercellen gebaseerde biologische wapendetector te ontwikkelen voor het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency. De hoop is dat wetenschappelijke kennis, gecombineerd met driedimensionale printtechnologie, het bouwen van een lever voor implantatie mogelijk zal maken.
Als alles loopt zoals Griffith, Vacanti en hun collega's hopen, kunnen productiemachines ooit zoemen in FDA-gecertificeerde orgelfabrieken. Het is te vroeg om te weten of die fabrieken hele organen ter plaatse zullen produceren, of dat ze in plaats daarvan uitgebreide steigerstructuren zullen produceren en verzenden waarop artsen de eigen cellen van patiënten zullen kweken, midden in het ziekenhuis. Maar beide benaderingen, als ze succesvol zijn, belooft één ding: een einde aan de wachtlijsten voor transplantatie.