Rolt er straks een hart uit de printer?

Niemand laat zich graag een oor aannaaien. Alhoewel? Vincent van Gogh had er misschien wel behoefte aan toen hij in kritieke toestand in het ziekenhuis belandde na zijn roemruchte wanhoopsdaad. Dat wetenschappers inmiddels oren van levend weefsel kunnen maken met een 3D-printer, kon de kunstenaar toen niet bevroeden. "Ik had twintig jaar geleden ook niet gedacht dat we nu allemaal met een iPhone zouden rondlopen", zegt Jos Malda, onderzoeksleider orthopedie bij het UMC Utrecht.

Met energieke tred loopt Malda door de glimmend witte gangen van Utrecht3DMedical (U3DM), een nieuw laboratorium waar onderzoekers van het UMC Utrecht, de Hogeschool Utrecht en ProtoSpace werken aan 3D-printtechnieken voor de medische sector. Het lab opende vorige maand zijn deuren en maakt Utrecht tot een internationale spil van innovatie op dit gebied. "Op deze plek hebben we de volle potentie te pakken van 3D in de patiëntenzorg", zegt Malda opgetogen. "We hebben hier alle slimme koppen bij elkaar. Ik denk dat dit een behoorlijk unieke situatie is; kennisinstellingen werken samen met bedrijven aan het vertalen van 3D-printtechnologie naar de dagelijkse medische praktijk."

Ingenieuze printer
Aan weerszijden van de lange gang bevinden zich kleine kamertjes die vol staan met 3D-printers en andere apparatuur. Malda trekt een deur open en wijst naar een ingenieuze printer in een grote glazen kast. Een klein naaldje maakt heen en weer gaande bewegingen terwijl een jongen met een labbril geconcentreerd naar een scherm tuurt. Hij test een nieuw materiaal voor implantaten, legt Malda uit.

"Op dit moment doen we proeven met chemisch gemodificeerd polymeer, wat beter kan binden met bio-inkt. Vergelijk het met gewapend beton: het materiaal wat je daarin gooit is ruw en laat men expres roesten voor meer grip. Zoiets hebben we ook gedaan met deze polymeren." Hij bekijkt het resultaat goedkeurend: stap voor stap creëert het naaldje een keurig raster van dunne, bijna onzichtbare draadjes. "Net schrijven met honing", zegt Malda. "Het luistert nauw. Maar zo te zien lukt het."

Dat 3D-printers allang meer in hun mars hebben dan het printen van een fleurig telefoonhoesje of een nieuw paar schoenen, mag duidelijk zijn. De minifabriekjes zijn niet alleen een uitkomst voor ontwerpers of kunstenaars - ook de medische wereld heeft er profijt van. Met behulp van 3D-printers kunnen ter plaatse, in het ziekenhuis, hulpstukken als prothesen, kunstmatige ledematen en braces worden geprint. Tot zover niets bijzonders, want voor dit soort materialen gelden dezelfde conventionele 3D-printtechnieken als voor andere producten. Een grotere uitdaging ligt voor Utrecht3DMedical in het bioprinten: het maken van stukjes menselijk weefsel zoals huid, kraakbeen en zelfs organen.

Malda is een bioprocestechnoloog die zich bezighoudt met de ontwikkeling van biofabricaten voor de reparatie van bot en kraakbeen. Met de bioprinter creëert hij driedimensionale implantaten met levende cellen die de structuur van echt weefsel nabootsen. De geprinte 'plugjes' bestaan uit laagjes hydrogel, levende cellen en biologisch afbreekbare plastic vezels.

Hoewel de techniek nog in de kinderschoenen staat, biedt dit soort implantaten allerlei voordelen ten opzichte van titanium (waar veel implantaten nu van zijn gemaakt). "Levende implantaten zijn op maat gemaakt met je eigen cellen, dus er is geen kans op afstoting", zegt Malda. De cellen zetten kraakbeen ter plekke aan tot het maken van nieuw kraakbeenachtig weefsel. "Ook zijn ze lichter en gaan ze langer mee. We worden steeds ouder, dus hebben we andere oplossingen nodig."

Hoe de bioprinter werkt

Voor het printen van levend weefsel isoleren onderzoekers eerst cellen van de patiënt of van een donor. Die cellen worden gekweekt in het laboratorium in een soort broedstoof bij een temperatuur van 37 graden. Vervolgens worden de cellen 'geoogst' en gemengd met hydrogel. Deze hydrogel gevuld met cellen is de 'bioinkt', die wordt geladen in de cartridges van de printer. "Door gebruik te maken van verschillende soorten cellen en hydrogels kunnen we complexe weefselconstructen printen", zegt de Utrechtse bioprocestechnoloog Jos Malda. "Een soort biologische kleurenprinter dus, met de temperatuur van het lichaam."

Gewrichten en een knie
Op dit moment zijn de onderzoekers al in staat om kleine plugjes te maken die een stukje bot of kraakbeen kunnen vervangen. Uiteindelijk hoopt Malda grotere structuren te fabriceren, zoals delen van gewrichten of een hele knie. Dankzij 3D-printtechnieken kan de gepersonaliseerde patiëntenzorg de komende jaren een enorme vlucht nemen, denkt hij. "Met bioprinten kun je veel verder gaan dan met cellen kweken in een petrischaaltje."

Naast implantaten werkt Utrecht3DMedical aan de ontwikkeling van andere weefsels, zoals geprinte orgaanstructuren. In de toekomst hopen onderzoekers zieke of versleten organen te vervangen door geprinte exemplaren. Ook die worden gemaakt van eigen cellen, waardoor de kans op afstoting minimaal is. Deze techniek zou het tekort aan donororganen drastisch kunnen verminderen. Maar volgens Malda is het reconstrueren van organen nog 'een stip aan de horizon'. "Als jij me alle benodigde cellen zou aanleveren, kan ik een hart printen", zegt hij. "Maar in dat hart moeten vervolgens de cellen met elkaar samenwerken om goed te kunnen functioneren. Dat is heel moeilijk. Daarvoor is het hart een te grote structuur."

Wat al wel lukt, is het printen van kleine stukjes weefsel waarop nieuwe medicijnen en behandelingen kunnen worden getest. Zo maakt het Amerikaanse bedrijf Organovo kleine leverstructuren voor de farmaceutische industrie, en het bedrijf Tevido BioDevices ontwikkelt borstweefsel voor kankerpatiënten. Chris Arts, onderzoeker biomaterialen aan de Universiteit Maastricht, verwacht dat de eerste klinische tests met biofabricaten binnen enkele jaren zullen starten, te beginnen met huid en kraakbeen. "Defecten aan huid en kraakbeen zijn zo complex dat de beschikbare behandelingen vaak niet effectief zijn", zegt Arts. "Met huid uit de 3D-printer zouden we bijvoorbeeld zweren en wonden kunnen behandelen die ontstaan door diabetes."

Een ander voordeel van 3D-printtechnieken is dat artsen zich beter kunnen voorbereiden op operaties, zegt Malda. "Bij een patiënt met een aneurysma in de hersenen maakt de chirurg een inschatting of hij die van links of van rechts moet benaderen. Dat blijft toch een soort gok. Dankzij 3D-printers kunnen we oefenmodellen maken, zodat artsen kunnen oefenen op de patiënt van morgen. Daar is behoefte aan, zeker bij traumatologen." Toch is dit soort middelen lang niet altijd bereikbaar voor de gemiddelde arts, zegt Malda. "Dat zie ik graag veranderen."

Wettelijke mist
Technisch kan er veel, maar een rem op de toepassing van 3D-technieken is de wettelijke mist die er hangt, zegt onderzoeker Chris Arts. "Er is nog geen Nederlandse of Europese wetgeving op dit gebied. Bij een probleem met een heup- of knieprothese kun je de fabrikant aansprakelijk stellen. Maar wie is verantwoordelijk voor een 3D-geprinte prothese? De fabrikant van de 3D-printer? Het ziekenhuis? De onderzoeker?"

Daarom beperken Arts en zijn collega's zich tot kleinschalige toepassingen met een beperkt risico, zoals het printen van voetzooltjes. "Wat we nog niet doen, maar wel kúnnen, is het herstellen van botdefecten waarbij het beschadigde deel wordt gereconstrueerd en geprint. In 2009 hadden we het Fusebone project, samen met TNO. Sindsdien kunnen we al delen van bot printen, maar die techniek ligt al zes jaar op de plank door gebrek aan wetgeving. Alle verantwoordelijkheid ligt bij het ziekenhuis, dat durven we niet aan. Wat als iemand overlijdt?"

Het herstellen van botdefecten is juridisch gezien een grijs gebied, zegt Arts. "Het is een combinatie van keramiek en cellen. Dat valt ergens tussen farmacologische wetgeving en de wetgeving voor medische apparaten, zowel in Europa als in Nederland. Wij proberen het te agenderen. Probleem is dat 3D-researchgroepen nog niet georganiseerd zijn. We zouden een platform moeten hebben, liefst wereldwijd."

Malda erkent dat een gebrek aan wetgeving een rem zet op innovatie, maar volgens hem is dat niet per se fout. "Je wilt niet zomaar iets in een patiënt stoppen." Dat is voor hem reden goed na te denken over de ethische aspecten van zijn onderzoek. Want wie weet op wat voor ideeën deze techniek een creatief mens als Van Gogh zou kunnen brengen. "Als we straks van alles kunnen printen, wat doen we dan als iemand een vierkant oor wil?"