Experimentele benaderingen van Tissue Engineering

Mijn naam is Ali Kamasi en ik ben momenteel assistent-professor bij de Division of Health Sciences and Technology van Harvard MIT. Daarnaast heb ik een gezamenlijke aanstelling bij de Harvard Medical School, specifiek bij het Brigham and Women's Hospital, dat is gelieerd aan de Harvard Medical School. Mijn onderzoeksgebieden zijn de weefseltechniek op microschaal en de biomechanica.

Mijn academische achtergrond ligt meer bij, en is oorspronkelijk begonnen in de chemische technologie. Ik heb mijn bachelor in de chemische technologie behaald aan de University of Toronto, waarna ik zeer geïnteresseerd raakte in meer biologisch georiënteerde engineering. Daarom heb ik een master in de biomedische technologie gevolgd, eveneens aan de University of Toronto, waarbij ik specifiek werkte aan stamceldifferentiatie.

Daarna ben ik naar MIT gegaan en heb ik mijn PhD behaald bij professor Robert Langer in de bioengineering. Na een postdoc van enkele maanden ben ik in mijn huidige functie getreden. De onderzoeksgebieden waar we ons op richten, liggen echt op het snijvlak van biologie, engineering en materiaalkunde.

Wat we proberen te doen, is antwoorden zoeken op vragen waar biologen al lange tijd naar op zoek zijn, maar dan op een manier die voorheen niet mogelijk was, door nieuwe technologieën en nieuwe perspectieven in te zetten om deze vragen te begrijpen. Een van de belangrijkste medische problemen die we proberen aan te pakken, is het tekort aan organen. Hoe genereren we driedimensionale organen die potentieel getransplanteerd kunnen worden? Er is immers een enorm tekort aan organen en veel patiënten hebben transplanteerbare organen nodig, waardoor er zeer lange wachtlijsten zijn.

Een van de zaken waar wij en anderen in het veld van tissue engineering naar streven, is het ontwikkelen van benaderingen waarmee we kunstweefsels kunnen creëren. In lijn met datzelfde concept is een van de grootste huidige problemen, wat ook geldt voor drug discovery en het vinden van nieuwe geneesmiddelen, hoe we betere modellen kunnen genereren die weefsels buiten het lichaam representeren, zodat we geneesmiddelen en chemicaliën kunnen testen en kunnen zien wat hun effecten zijn op dit soort weefsels. Zodra we dat correct kunnen doen, kunnen we een veel betere voorspellende waarde krijgen over welke geneesmiddelen daadwerkelijk effectief zullen zijn.

Zo voorkomt u, weet u, de terugroepacties van geneesmiddelen nadat deze zijn goedgekeurd en de bijwerkingen, waardoor u een veel beter proces voor medicijnontwikkeling kunt hebben. Microfluïdische apparaten zijn een onderdeel van wat we microscale-technologieën noemen. En wat betreft deze microscale-technologieën, dan zal ik daar wellicht mee beginnen met een uitleg.

Wat ze proberen te doen, is de complexiteit van biologische weefsels of biologische systemen na te bootsen. De meeste cellen zijn ongeveer enkele tientallen micrometers groot. Om cellen op die afmetingen echt te begrijpen, heb je technologieën nodig om te kunnen bepalen wat een cel ziet en waar een cel op reageert op lengteschalen die variëren van veel kleiner dan 10 micrometers tot groter dan 10 micrometers.

Hierdoor kunt u individuele cellen hebben en in staat zijn om hun omgeving te manipuleren. Wat een systeem zoals microfluidica ons in staat stelt te doen, is het verkrijgen van een zeer nauwkeurige controle over hoe oplosbare factoren aan cellen worden toegediend. Een voorbeeld hiervan is het kunnen gebruiken van een microfluidisch kanaal om daarin een concentratiegradiënt van een chemokine, een groeifactor of een cytokine te genereren.

Hiermee kunnen we nu proberen na te bootsen wat er gebeurt tijdens de normale ontwikkeling of binnen biologische systemen, waar concentratiegradiënten in een organisme aanwezig zijn die de cel vertellen wat deze moet doen. Met microfluidische systemen kunnen we dit soort biologische complexiteit op een zeer snelle en gecontroleerde manier genereren en vervolgens het celgedrag direct analyseren bij blootstelling aan deze concentratiegradiënten of biologisch en ruimtelijk georiënteerde signalen. Tissue engineering is waarschijnlijk zo'n 20 à 30 jaar geleden ontstaan met het idee om transplantabele cellen te gebruiken en deze te combineren met materialen, zodat we betere driedimensionale weefsels kunnen genereren; in het begin begonnen onderzoekers hiermee door te proberen biologisch afbreekbare materialen te gebruiken om schuimen te maken.

En dus, zoals u weet, zijn dit zeer poreuze structuren. Vervolgens worden deze schuimen gezaaid met cellen. Terwijl de cellen zich door dit schuim bewegen, nestelen ze zich op specifieke plaatsen en na verloop van tijd beginnen de cellen hun eigen biologische matrix af te zetten.

Omdat deze materialen biologisch afbreekbaar zijn, breken ze na verloop van tijd af, waardoor er uiteindelijk een volledig biologisch weefsel overblijft. Deze benadering is bijzonder nuttig gebleken voor eenvoudigere organen, zoals kraakbeen. Er zijn zelfs producten ontwikkeld, zoals onze kunsthuid, die inmiddels door de FDA zijn goedgekeurd.

Het is dus klinisch levensvatbaar gebleken. Waar deze aanpak mogelijk meer ondersteuning kan gebruiken, is bij complexere structuren zoals het hart of de lever, waar zeer gecontroleerde cel-celinteracties en een zeer gecontroleerde complexiteit en architectuur op microschaal aanwezig zijn. Een van de oorspronkelijke ideeën bij weefselengineering was dat wanneer men de cellen plaatst, deze cellen zichzelf zodanig herorganiseren dat ze daadwerkelijk een deel van de complexiteit genereren die men in het normale lichaam ziet.

Maar dat gebeurt, en dat gebeurt tot op zekere hoogte, maar het gebeurt niet volledig. Een via tissue engineering vervaardigd orgaan op het niveau van de microstructuur zou dus nog steeds verschillen van een echt inheems biologisch weefsel. En dat komt omdat de cellen zichzelf simpelweg niet zo organiseren als ze dat volledig zouden doen tijdens de ontwikkeling.

Wat we dus proberen te doen, met betrekking tot de microschaal en het voortstuwen van weefseltechniek op microschaal, is om deze complexiteit te proberen te reproduceren. Hoe pakken we dat aan? En welke complexiteiten willen we vervolgens genereren?

Ten eerste zijn gevasculariseerde weefsels zeer sterk doorbloed, wat het weefsel voorziet van zuurstof, voedingsstoffen en andere benodigdheden. Het is daarom momenteel zeer moeilijk om grote weefselstructuren te engineeren en alle cellen te voorzien van de juiste hoeveelheden voedingsstoffen en zuurstof. Eén ding dat technologieën op microschaal ons in staat maken, is om potentieel de microvasculatuur direct in onze driedimensionale structuren te engineeren.

Een ander voordeel van microschaaltechnologieën is dat we hiermee kunnen proberen te beheersen hoe verschillende celtypen binnen deze driedimensionale structuur met elkaar communiceren. Zo wilt u wellicht een specifiek celtype in een bepaalde structuur plaatsen met een secundair celtype ernaast, precies zoals dat in het lichaam voorkomt. Met behulp van microschaaltechnologieën kunnen we proberen dit soort geometrieën en complexiteiten die in het lichaam aanwezig zijn, te reproduceren binnen onze driedimensionale structuur.

We hoeven dus niet noodzakelijkerwijs te hopen dat ze zichzelf direct in de scaffolds assembleren. Er zijn een aantal uitdagingen. Een van de belangrijkste uitdagingen met betrekking tot de manier waarop we weefsels kunnen engineeren is dat, zelfs als we een driedimensionaal weefsel maken, we nog steeds willen dat dit functioneel is; er is een verscheidenheid aan mechanische, biochemische en metabole functies die normale weefsels vervullen, die deze tissue-engineered organen in essentie moeten kunnen heroveren en nabootsen.

Een actueel probleem is dat veel in het laboratorium gekweekte weefselorganen niet voldoen aan hun natuurlijke biologische prestaties. Een deel van het probleem ligt bij de materialen die we momenteel gebruiken; deze zijn niet noodzakelijkerwijs geoptimaliseerd voor uiteenlopende toepassingen. Bovendien moeten we de biologie van de ontwikkeling en de biologie van wondgenezing nog beter begrijpen om condities te kunnen recreëren die de cellen binnen deze driedimensionale scaffolds in staat stellen om volledig de weg te bewandelen die ze in het lichaam zouden volgen tijdens normale ontwikkeling of normale wondgenezing, zodat we uiteindelijke structuren verkrijgen die daadwerkelijk lijken op echt geregenereerd of ontwikkeld weefsel.

En de biologie wordt nog steeds onderzocht en verder ontwikkeld. Dus, u weet, dat is één aspect, de biologie; een ander aspect zijn betere materialen. En tot slot denk ik dat de celbron nog steeds een groot probleem is.

Daarom is het echt belangrijk om alternatieve celbronnen te verkennen; onze lichaamscellen, zoals adult stamcellen, zijn namelijk een zeer potentieel levensvatbare bron van cellen. Daarnaast zijn er zaken als embryonale cellen en nieuwe benaderingen waarbij huidcellen of andere cellen worden gebruikt om zeer primitieve cellen te verkrijgen, waarbij men kan proberen de differentiatie te sturen om zo aan een levensvatbare celbron te komen. Ik zou dus zeggen dat dit de drie belangrijkste problemen zijn voor de komende vijf jaar: betere materialen, een beter begrip van de biologie en het vinden van een betere celbron.

Er zullen veel veranderingen plaatsvinden om deze microscale-technologieën breder toepasbaar te maken voor zowel biologen als weefselengineers. Ik denk dat veel mensen nu beseffen hoe belangrijk het is om zowel de biologie te bestuderen als weefsels te genereren met microscale-resolutie. En ik geloof dat dit de komende jaren een voortdurende trend zal blijven.

En ik denk dat een ander aspect is dat er veel meer interactie zal zijn tussen de mensen aan het uiteinde van het proces, of dat nu de klinische artsen zijn, de FDA of andere regelgevende instanties, en de zakelijke mensen. Er zal dus steeds meer interactie zijn tussen deze entiteiten en de fundamentele onderzoekers om terug te kijken en vast te stellen wat de belangrijkste problemen zijn bij het commercialiseren van een deel van de ontwikkelde wetenschap. En ik denk: hoe doen we dat op een manier die veilig en ethisch verantwoord is.

Ik denk dat er, zowel wetenschappelijk gezien, nog grote stappen gezet moeten worden, maar ook met betrekking tot andere zaken zal er nog veel bereikt moeten worden. Ik denk dat de eerste vijf jaar de eerste stappen zullen zijn, en dat het over 10 tot 15 jaar pas echt interessant wordt wat betreft hoe sommige van deze technologieën, specifiek met betrekking tot zowel tissue engineering als de toepassing van deze technologieën in assays voor drug discovery, zullen worden ingezet. Hoe dit in echte praktijktoepassingen zal worden gebruikt, hangt sterk af van over welk orgaan en welk type toepassing we het hebben. De eerste en meest voor de hand liggende toepassing van kunstweefsels ligt duidelijk in het gebied van drug discovery of diagnostiek, waarbij men probeert betere fysiologische modellen te verkrijgen die in een weefselkweek buiten het lichaam kunnen worden onderhouden en geanalyseerd, om zo de biologie beter te begrijpen of om de effectiviteit van chemicaliën of geneesmiddelen te onderzoeken. Ik denk dat de grootste uitdaging in dat gebied is om iets te creëren dat het natuurlijke weefsel zo volledig mogelijk nabootst, zodat wanneer uw weefselconstruct aangeeft dat iets toxisch is, u er zeer zeker van kunt zijn dat het ook toxisch zal zijn in een dier, waardoor het zeer voorspellend wordt voor de respons die u in het dier zou krijgen.

Wat betreft de feitelijke therapeutische toepassingen denk ik dat er nog veel meer hindernissen moeten worden overwonnen. Volgens mij zijn de belangrijkste vragen hoe deze therapeutische middelen zich op de korte en lange termijn zullen gedragen, want niemand begrijpt echt hoe vreemde cellen — zeg maar weefseltechnisch geproduceerde cellen of cellen afgeleid van embryonale stamcellen of cellen van andere personen — zich op de lange termijn in mijn lichaam of dat van iemand anders zullen gedragen. Daarnaast zijn er volgens mij ook andere ethische kwesties, zoals: wat is de beste celbron die zowel ethisch verantwoord als wetenschappelijk en klinisch haalbaar is? En met betrekking tot het daadwerkelijk engineeren van organen denk ik dat de belangrijkste vraag is of je iets kunt creëren dat zowel veilig is als correct functioneert. Bovendien zijn er veel regelgevende mechanismen waar elk type weefseltechnisch geproduceerd orgaan aan moet voldoen.

En ik denk dat de FDA op dit moment begint te onderzoeken hoe biologische weefsels, die mensen ontwikkelen voor therapeutische toepassingen, daadwerkelijk gereguleerd kunnen worden. Ik denk dat er één of twee precedenten zijn voor dit soort producten die op weg zijn naar commercialisering, maar er is nog geen zeer gestandaardiseerde route waarbij je precies weet wat er nodig is om iets van het laboratorium naar een eindproduct te brengen. Met betrekking tot enkele van deze kunstmatige biologische weefsels hangt het echt af van het orgaan. Voor sommige zaken, zoals bijvoorbeeld de huid, hebben we dat al.

Voor iets als een hart, een volledig hart, zou ik zeggen dat we er nog ver vandaan zijn. Ik zou zeggen misschien, nou ja, waarschijnlijk 50 jaar; ik wil hier erg conservatief in zijn. Het kan eerder gebeuren, maar er zijn veel uitdagingen om iets te creëren dat de juiste complexiteit heeft en functioneert zoals een normaal biologisch weefsel dat zou doen.

Maar ik denk dat we, met betrekking tot kleinere zaken zoals hartweefsel, en niet een volledig hart, veel dichterbij zijn. En ik zou zeggen dat, wat betreft een klinische toepassing en iets dat daadwerkelijk het regelgevend proces heeft doorlopen, het mogelijk is om binnen ongeveer 15 jaar transplanteerbare stukken hartweefsel te hebben die men kan toepassen. En ik denk dat het grootste deel hiervan in de regelgevende fase zal liggen, omdat het goedkeuren van een geneesmiddel momenteel 12 jaar duurt.

Zelfs als we nu iets hebben dat we perfect vinden, zal het waarschijnlijk minstens tien jaar duren om te waarborgen dat het veilig is en de juiste functie vervult, zodat we het op grote schaal bij patiënten kunnen toepassen.