Stap voor stap heeft Pankaj Karande vooruitgang geboekt bij het maken van huidtransplantaten die veel dichter liggen bij wat het menselijk lichaam zelf produceert en waarvan de kans groter is dat ze door het lichaam van een patiënt worden geïntegreerd en geaccepteerd.
In de meest recente ontwikkeling die wordt besproken in een artikel in Tissue Engineering, hebben Karande, een universitair hoofddocent chemische en biologische techniek aan Rensselaer Polytechnic Institute, en het team in zijn lab bij Rensselaer, dat samenwerkt met Yale School of Medicine, een manier ontwikkeld om 3D-printen te gebruiken om bloedvaten op te nemen in de levende huid die ze produceren. “Dat was een grote doorbraak,” zei Karande.
Skin Bioprinting
Bloedvaten zijn van cruciaal belang voor bioprinted huid om te overleven. Foto: Rensselaer Polytechnic Institute In de afgelopen tien jaar heeft 3D-bioprinten een hoofdrol gespeeld bij de ontwikkeling van huidtechnologie. Karande publiceerde een van de eerste artikelen op dit gebied waaruit bleek dat onderzoekers een bio-inkt konden maken van twee soorten levende menselijke cellen en een 3D-printer konden gebruiken om een huidachtige structuur te produceren. De traditionele procedure voor het maken van huid was om cellen te nemen, ze te mengen met collageen en ze in dunne lagen uit te smeren.
“Je zou het kunnen vergelijken met het uitsmeren van jam op een stuk brood in lagen,” zei hij, eraan toevoegend dat het erg moeilijk is om dit handmatig te doen, omdat je werkt met tientallen of honderden microns die dicht bij de andere cellen moeten zijn voor normale interactie.
Je vindt het misschien ook leuk: Kunstmatige en 3D-geprinte huid Vooruitgang voor robots, mensen
3D-printen heeft precieze plaatsing en rangschikking van de cellen in drie dimensies mogelijk gemaakt op een zeer kleine schaal – dit materiaal dat 10 keer dunner kan zijn dan een menselijke haar. “Dat is de grote vooruitgang die 3D-printen heeft mogelijk gemaakt in zacht weefsel engineering,” zei Karande.
Hoewel dit een “grote vooruitgang” was, realiseerde het team zich een paar jaar geleden dat voor de transplantaten om te overleven op patiënten, bloedvaten zeer kritisch zijn. Op dat moment werd er veel werk verricht aan het combineren van endotheelcellen en andere cellen om te proberen bloedvaten te vormen, maar de beschikbare methoden werkten niet.
Bloedvaten inbouwen
Karande’s team besloot te proberen cellen, die bloedvaten helpen vormen, in een omgeving te brengen waar “de cellen gelukkig zijn, zodat ze zich vermenigvuldigen, groeien en het bloedvat gaan vormen.”
De ultieme test was: Als het op een bot wordt gezet, maakt het bloedvat dan ook echt verbinding met het bloedvat van de gastheer? “In het lab kunnen we het transplantaat in leven houden door het voedingsstoffen te geven, maar zodra we het op het bot plaatsen, heeft het zijn voedingsstoffen nodig van de gastheer,” zei Karande.
Lees meer over: Onderzoekers 3D-printen op huid voor baanbrekende toepassingen
De huid die het Rensselaer-team printte, werd door het Yale-team op een speciaal type muis geënt. Al snel begon de huid te communiceren en zich te verbinden met de eigen bloedvaten van de muis. “De integratie met de wond, de ontwikkeling van het bloedvat, de verbindingen met de gastvaten, de rijping van het weefsel in de wond was voor ons een grote stap voorwaarts,” zei hij, terwijl hij het proces in een korte video uitlegde.
Karande zei dat de grootste uitdaging eigenlijk het optimaliseren van het systeem als geheel was, na het optimaliseren van de stappen onderweg. Alles was even belangrijk: Van het oogsten van cellen van patiënten om ze te isoleren, ze hun biologische eigenschappen te laten behouden, en dan al deze componenten te laten groeien tot een mooi aantal cellen en celdichtheid om nieuwe componenten te maken, dan het transplantaat in leven te houden, ervoor te zorgen dat het steriel is, het te hechten op de wond van een dier en nog meer.
“Elk van deze stappen vergde veel proeven. Het ging dus om incrementele vooruitgang bij elke stap, maar als je al die stappen bij elkaar optelt, heb je een grote vooruitgang geboekt,” zei hij.
CRISPR voor een beter huidtransplantaat
De volgende grote stap is het werken aan een universeel geprefabriceerd transplantaat dat niet wordt afgestoten door het immuunsysteem van een patiënt. Het op maat maken van een transplantaat voor elk individu met behulp van hun eigen geoogste cellen kan weken of zelfs langer duren – tijd die de meeste patiënten die een transplantaat nodig hebben niet hebben.
Om een universeel transplantaat te maken, bereiden onderzoekers zich voor om te werken met CRISPR, een geavanceerde genbewerkingstechnologie. Ze zullen die markers in de cellen van het transplantaat uitschakelen, die het lichaam vertellen dat het transplantaat een vreemd voorwerp is dat moet worden afgestoten.
Editors’ Pick: 3D Bioprinter print gezonde huid op patiënten in enkele minuten
Daarnaast moeten er nog langetermijntests plaatsvinden. De hoop is dat het transplantaat op korte termijn de wondgenezing zal vergemakkelijken en bescherming zal bieden door als een natuurlijke barrière te dienen. Na verloop van tijd zullen de lichaamseigen cellen het overnemen en de plaats opnieuw bevolken met hun eigen cellen. De menselijke huid regenereert gewoonlijk om de 30 dagen.
Na succesvolle eerste stappen in het creëren van levende huidtransplantaten, bereiden bio-ingenieurs zich voor op het creëren van een universeel transplantaat met behulp van CRISPR. Foto: Rensselaer Polytechnic Institute Tegenwoordige therapeutische interventies voor de behandeling van elk soort huidletsel, vooral als het gaat om kleine stukjes huid – zoals decubitus, diabetespatiënten of slachtoffers van een vuurwapen – omvatten het oogsten van huid op een andere plaats op het lichaam en het transplanteren ervan. Hierdoor ontstaat een nieuwe wond die moet worden verzorgd.
Er zijn een paar klinische producten op de markt die groeifactoren bevatten, maar dit zijn in wezen wat Karande “mooie pleisters” noemt, omdat ze voorkomen dat de wond wordt blootgesteld aan de omgeving. Zonder bloed en voedingsstoffen in het transplantaat zal het er uiteindelijk afvallen.
Voor brandwondenpatiënten moet nog meer werk worden verricht om de verloren zenuw- en vasculaire uiteinden op te vangen.
“Als ingenieurs die werken aan het nabootsen van de biologie, hebben we altijd gewaardeerd en zijn we ons bewust geweest van het feit dat de biologie veel complexer is dan de eenvoudige systemen die we in het lab maken,” zei Karande. “We waren aangenaam verrast toen we ontdekten dat, zodra we die complexiteit beginnen te benaderen, de biologie het overneemt en steeds dichter komt bij wat er in de natuur bestaat.”
Nancy S. Giges is een technologieschrijver gevestigd in New York.
Registreer je vandaag voor AM Medical: 27-28 mei 2020 in Minneapolis, MN