Volgens de Amerikaanse tissue engineer Antonios Mikos zijn gekweekte `neo-organen' uit het laboratorium binnenkort werkelijkheid. Deze week gaf hij in Den Haag de jaarlijkse NWO/Huygenslezing.

`Ik verwacht het niet direct morgen, maar de komende tien jaar zullen we met geavanceerde biologische en chemische technieken een complete lever kunnen regenereren', voorspelt Antonios Mikos. De van oorsprong Griekse chemisch technoloog werkt aan de Rice University in het Amerikaanse Houston aan het front van een veelbelovend vakgebied: tissue engineering. Tissue engineers kweken in het laboratorium vervangende weefsels die naar patiënten kunnen worden getransplanteerd, met het idee dat deze beter dan donororganen aansluiten op de fysiologie van het lichaam.

Mikos en zijn collega's rondden onlangs een succesvolle proef af met nieuwe botgroei en -transplantatie bij een schaap. Op een van de ribben van het dier plaatsten zij een `groeikamertje' gevuld met een groeibevorderende matrijs. Na een paar weken was het kamertje geheel gevuld met nieuw botweefsel, en belangrijk detail er groeiden bloedvaten in dit nieuwe stuk. Dankzij die vascularisatie kon het stuk succesvol getransplanteerd worden naar plaatsen elders in het lichaam. In samenwerking met het M.D. Anderson Cancer Center werkt de groep van Mikos inmiddels aan het toepassen van deze techniek bij de gezichtsreconstructie van patiënten. Na het verwijderen van een tumor is vaak een restauratie van de kaak nodig. Mikos: ``We kweken kleine stukjes been in het lichaam van de patiënt die dan uiteindelijk overgeplaatst worden naar het missende stuk kaak. Dit is een aanpak die veel belooft voor de behandeling van kankerpatiënten.''

Als chemisch ingenieur ontwikkelde Mikos tientallen polymeren die zich lenen voor het vervaardigen van biologisch afbreekbare matrijsen: sponsachtige holle structuren, cruciaal om cellen driedimensionale weefsel te laten formeren. Door chemische eigenschappen van de polymeren te variëren kan precies gestuurd worden welk type cellen de matrijs koloniseren. Mikos' wetenschappelijke ontdekkingen leidden al tot zeventien patenten.

``Zonder kunstmatige matrijsen zou er geen tissue engineering mogelijk zijn'', vertelt Mikos in zijn hotel in Den Haag. ``Cellen moeten ruimtelijk kunnen groeien om een functioneel weefsel te vormen. De matrijsen die we tegenwoordig gebruiken zijn gemaakt van afbreekbare materialen. Na de implantatie worden ze in het lichaam van de patiënt geleidelijk afgebroken, in een tempo dat aansluit bij de regeneratiesnelheid van het weefsel. Zo levert de matrijs steun tot het moment waarop de lichaamscellen deze functie weer overnemen.''

Het Mikos-lab houdt zich bezig met fundamenteel onderzoek naar kunstmatige weefsels voor orthopedische toepassingen, voornamelijk regeneraties van bot en kraakbeen. In samenwerking met plastisch en orthopedisch chirurgen van het M.D. Anderson Cancer Center in Houston en de Mayo Clinic in Minnesota werken zij aan klinische evaluaties van matrijsen in tissue engineering.

Tony Mikos, zoals hij in Amerika heet, vertrok na zijn studie chemie aan de Aristoteles Universiteit in Thessaloniki naar Amerika voor een promotie-onderzoek aan de Purdue University. Hij ging niet meer weg uit de VS. Na een aantal jaar als postdoc gewerkt te hebben bij het Massachusetts Institute of Technology en Harvard Medical School startte hij zijn eigen onderzoeksgroep bij de Rice University in Texas. Met zijn vaderland heeft Mikos op wetenschappelijk vlak weinig contact meer. Wel onderhoudt hij een intensieve samenwerking met het laboratorium van John Jansen in Nijmegen - die vrijdag van de Stichting Technische Wetenschappen de Simon Stevinprijs ontving voor zijn baanbrekend onderzoek naar botimplantatie. Met bewondering kijkt Mikos ook naar het onderzoek van Isotis, een van oorsprong Nederlands bedrijf dat zich richt op producten voor weefselherstel. ``In Nederland gebeurt opvallend veel op het gebied van tissue engineering, daarin streven jullie grote buurlanden als Duitsland en Frankrijk voorbij'', aldus Mikos.

Het grote tekort aan donororganen is de drijfveer achter het onderzoek naar tissue engineering, zegt Mikos. ``Veel patiënten overlijden terwijl zij op een wachtlijst staan voor een orgaan, bijvoorbeeld een lever, hart of longen. Ik ben ervan overtuigd dat tissue engineering hier soelaas zal bieden. Nu is het nog een kostbare oplossing maar door de vorderingen in de techniek gaat dat veranderen.''

U voorspelt dat een gekweekte lever over tien jaar realiteit is. Maar dat is een relatief simpel orgaan, voornamelijk bestaand uit één celtype. Een nier zit al veel ingewikkelder in elkaar. Is die niet veel moeilijker na te maken?

Tony Mikos: ``Gemeten aan het aantal celtypen dat er in voorkomt is de lever inderdaad een simpel orgaan. Toch is hij een van de moeilijkste om te regenereren. Dat komt omdat de lever een van de sterkst doorbloede organen is in het menselijk lichaam. En het belangrijkste probleem in tissue engineering ligt juist op het vlak van de doorbloeding van nieuwe weefsels. Zodra we dat weten op te lossen, zullen we in staat zijn lever, alvleesklier, nieren en andere organen te regenereren.''

Waarom is doorbloeding zo cruciaal?

``Een goed vatenstelsel is essentieel om cellen van zuurstof en nutriënten te voorzien, en om afvalstoffen af te kunnen voeren. Traditioneel werden vervangende weefsels in vitro gekweekt in het laboratorium en vervolgens overgeplaatst naar het lichaam. Maar dergelijke getransplanteerde weefsels blijken niet te overleven zodra ze dikker zijn dan een millimeter. Het enige weefsel dat op dit moment in grotere afmetingen een transplantatie overleeft is kraakbeen. Dat komt omdat kraakbeen niet doorbloed is en bestaat uit cellen met een zeer lage stofwisselingsactiviteit. Levercellen of beencellen hebben juist een zeer hoge stofwisseling. Dat maakt het regenereren van weefsels met die cellen lastig.''

Met hormonen die de vaatgroei stimuleren kan men toch een goede doorbloeding verkrijgen?

``Ja, dat klopt. We hebben tegenwoordig twee strategieën. De ene is dat we proberen de groei van een vatenstelsel in vitro te stimuleren. Bijvoorbeeld door tijdens de groei van de belangrijkste celtypes van het betreffende orgaan ook endotheelcellen te kweken, die de binnenkant van het bloetvat bekleden, en door matrijsen te hanteren met een zodanige structuur dat zij de juiste opbouw van vaten mogelijk maken. In de tweede methode proberen we het vatenstelsel in vivo op te bouwen, na de transplantatie van het weefsel in het lichaam van de patiënt. Maar dat blijkt een lastige horde.''

Wat is volgens u het beste cellulaire uitgangsmateriaal om neo-organen of implantaten van te maken?

``Er zijn diverse mogelijkheden. We kunnen uitgaan van cellen van de patiënt zelf, van die van een ander individu of van dierlijke cellen. De beste bron, gemeten naar alle maatstaven, is eigen celmateriaal van de patiënt: dat reduceert het risico op besmetting of afstoting tot een minimum. Maar er zijn ook beperkingen. Het oogsten van cellen aan de ene kant van het lichaam, en ze terugplaatsen op een andere plek, is tegenwoordig mogelijk in een chirurgische operatie. Maar als je cellen uitneemt en ze enige tijd gaat kweken, worden ze anders gereguleerd. We weten nog niet goed of de cellen hetzelfde zijn gebleven.

``Stamcellen zijn een excellente bron voor neo-organen. Tegelijk geven ze nog veel problemen. Niet alleen van politieke en ethische aard, ook wetenschappelijke. Bij tissue engineering gaat het in de regel om volwassen stamcellen, geïsoleerd uit beenmerg of vetweefsel. Hoewel volwassen stamcellen tot minder celtypes kunnen differentiëren dan embryonale stamcellen, zijn ze toch veelbelovend voor veel orthopedische toepassingen. Wel zijn nog de nodige problemen te overwinnen. Zo moeten we de cellen precies in de juiste richting zien te laten differentiëren, hun groei nauwkeurig controleren en de beste manier vinden om ze op de juiste plaats in het lichaam af te leveren. Dat is niet eenvoudig.''

Welke toepassingen heeft u voor ogen bij het ontwikkelen van injecteerbare implantaten?

``Bij het herstellen van botmateriaal aan de schedel kan met een mri- of ct-scan de exacte afmeting van de prothese opgemeten worden, en kan het nieuwe stuk bot zich vormen op een precies passende geprefabriceerde matrijs. Maar er zijn ook defecten die bijvoorbeeld zijn ontstaan na het verwijderen van een tumor, of bij een ongeluk. Dan is het heel moeilijk om de exacte vorm te herstellen. Er bestaat daarom grote behoefte aan implantaten die zich ter plekke in het juiste model laten vormen. Dat kan via injecteerbare matrijsen die het gat opvullen en de kolonisatie van nieuwe cellen mogelijk maken.

``Na injectie kunnen de matrijsen zich in een kwartier formeren. Afhankelijk van het type initiator dat we vooraf aan het polymeer toevoegen, polymeriseert het materiaal onder invloed van de lichaamstemperatuur of door behandeling met UV-licht. Het voordeel van lichtpolymerisatie is dat de chirurg exact begin en einde van de polymerisatiereactie kan bepalen. Maar omdat licht niet diep in het lichaam doordringt is deze methode alleen geschikt voor dunne weefsels als huid of kraakbeen. Bij reparaties van dikkere weefsels is temperatuurpolymerisatie geschikter.''

U werkt ook aan de ontwikkeling van weefseltransplantaten die bestaan uit verschillende lagen. Wat is daarvan het nut?

``Veel weefsels bestaan niet uit één homogeen celtype. Die variëteit aan verschillende cellen is vaak cruciaal voor de functie van het weefsel. Neem leverweefsel, dat is heel homogeen omdat het bestaat uit een celtype dat gelijkelijk over de ruimte is verdeeld. Vergelijk dat eens met een gewricht. Dat bestaat uit botweefsel bedekt met een laagje kraakbeen. Tussen die twee weefsels bestaat geen plotselinge overgang, die verloopt geleidelijk. Deze opbouw in zones van het weefsel is verantwoordelijk voor de eigenschappen van het gewricht. Wij proberen dat na te bootsen in kunstmatige nieuwe gewrichten door matrijsen te gebruiken met verschillende celtypen in verschillende stadia van differentiatie. Hormonen spelen een grote rol in het controleren van de differentiatie.

``Maar je kunt die hormonen niet via kweekvloeistof toedienen. We incorporeren ze daarom direct in de matrijsen of verpakken ze in microbolletjes die de hormonen gecontroleerd aan hun omgeving afgeven. Daarbij zullen we in de verschillende lagen ook verschillende hormonen moeten inbouwen. En vaak moeten die hormonen ook nog op één bepaald tijdstip actief zijn, niet eerder en niet later. Timing is cruciaal.''

Er bestaat bij het brede publiek weerstand tegen deze ontwikkelingen. Denk aan de afschuw die de foto van een muis met een menselijk oor op zijn rug wereldwijd wekte.

``Dat beeld van een muis met een menselijk oor op zijn rug is totaal verkeerd opgevat. Het ging om een simpel diermodel dat aantoonde dat het mogelijk was nieuw weefsel te maken en te vormen. De onderzoekers waren allerminst van plan in dieren op maat gemaakte onderdelen van het menselijk lichaam te produceren. Maar zo kwam het wel over. Toch heeft de muis met het menselijk oor op zijn rug tissue engineering een dienst bewezen. Iedereen zag dat de wetenschap in staat was een nieuwe oorschelp te kweken.''

Wat heeft tissue engineering nog in petto?

``Er is momenteel een grote hype gaande rond bedrijven die de eerste toepassingen van tissue engineering in de kliniek testen. De eerste generatie producten concentreert zich op huid en kraakbeen. Dat ligt voor de hand, dat is relatief eenvoudig. De huid is tweedimensionaal en kraakbeen heeft geen bloedvaten, dus in beide gevallen levert de doorbloeding van de implantaten geen problemen op.

``In de volgende generatie tissue engineering-producten zal de focus liggen op orthopedische toepassingen in botweefsel, ligament en - opnieuw - kraakbeen. In beeld komt dan osteoarthritis: reuma. Een therapie die deze aandoening verhelpt zal een revolutie in de geneeskunde ontketenen. Als laatste zijn de organen betrokken bij de stofwisseling aan de beurt, zoals de lever en de alvleesklier. De belangrijkste kwestie is daar, zoals opgemerkt, de vascularisatie.

``Het is wel wat ironisch dat wij de vaatgroei proberen te stimuleren, terwijl collega's in het kankeronderzoek hem juist willen remmen. Dezelfde moleculaire mechanismen die via vaatgroei leiden tot het groeien van een tumor, zijn voor ons de sleutel tot het bouwen van functionele organen. Altijd is er de zorg dat hormonen die vaatgroei stimuleren in nieuwe organen tumoren zouden kunnen stimuleren. Voorzichtig is geboden.''

Publicatie in NRC d.d. 8 november 2003