Organen komen uit de 3D-printer Artsen zijn enthousiast over de 3D-printer die in plaats van inkt levende cellen en kunststof spuit. Ze hebben al een kaak, oren, huid en bloedvaten gemaakt, en nu zijn complexere organen aan de beurt. Het doel: afscheid nemen van de wachtlijsten voor donororganen.
K
aiba ziet er nu gezond uit, maar toen hij zes weken oud was, schrokken zijn ouders zich wild. Ze zaten in een restaurant toen het jongetje ineens ophield met ademhalen en blauw werd door zuurstofgebrek. In het ziekenhuis ontdekten de artsen dat het kraakbeen in een van de bronchiën – de twee grote vertakkingen van de luchtpijp – broos was, waardoor de wanden inklapten en de luchttoevoer blokkeerden. De arts van de jongen, Glenn Green van de University of Michigan, VS, moest een slang door de bronchus leiden om de long constant direct van lucht te kunnen voorzien. Een betere oplossing was er niet
want daarvoor ontbrak het de arts aan een ‘reserveonderdeel’, dat de bronchus permanent open kon houden. Green wist wel hoe dat er ongeveer uit moest zien, maar had geen idee hoe hij eraan kon komen. Tot zijn blik op de printer in zijn kantoor viel en hij een idee kreeg.
Jongen ten dode opgeschreven Zo’n gewone inktprinter kan letters in allerlei groottes en types printen, en foto’s in alle denkbare kleuren – maar Green dacht meteen aan een 3D-printer, die bijna elk voorwerp kan printen door de inkt te vervangen, bijvoorbeeld door een kunststof. De grondvorm van het
voorwerp wordt laag voor laag geprint, waardoor het hele object als het ware van onderaf aangroeit. Speciale voorwerpen en prothesen zijn vaak lastig te maken en bovendien heel duur als ze gegoten, in elkaar geschroefd of uit een blok van een of ander materiaal gesneden of gehakt moeten worden. Maar bij een 3D-printer nemen de wetenschappers gewoon een aantal foto’s van het voorwerp vanuit verschillende hoeken, waarna ze er op de computer een ruimtelijk model van maken – dat ze dan alleen nog maar met een druk op de knop hoeven printen. Glenn Green ging onmiddellijk aan de slag, en met een computerprogramma
In nog geen uur hebben onderzoekers van de Hangzhou Dianzi-universiteit in China delen van nieren en oren geprint. Xinhua/Scanpix
Door titanium of siliconen in een 3D-printer te doen kunnen artsen een prothese printen die de plek van een verdwenen lichaamsdeel inneemt. De prothesen helpen patiënten een normaal bestaan te leiden en redden soms zelfs levens.
Luchtpijpvertakking blijft open Amerikaanse artsen maakten in 2013 met de 3D-printer een prothese die een luchtpijpvertakking of bronchus openhoudt bij een jongetje dat anders geen adem zou kunnen halen en zou sterven. De prothese is van biologisch afbreekbaar plastic. Na drie jaar is het opgelost; de eigen bronchus van de jongen is dan sterk genoeg om open te blijven.
University of Michigan Health System
Een buisje rond de versmalde bronchus houdt hem open, zodat het kind kan ademen. Het wordt via de gaatjes vastgenaaid op de kraakbeenwand van de bronchus.
Model van luchtpijp
eekbaar plastic Bronchus van afbr
Man krijgt zijn gezicht terug Een 60-jarige Brit kreeg in 2013 een gezichtshelft die geprint was met siliconen uit een 3D-printer. De artsen hadden een grote tumor uit zijn gezicht verwijderd, waardoor er in de hele linkerkant een gapend gat zat op de plek waar het oog, het jukbeen en de helft van de kaak hadden gezeten. De artsen scanden de intacte rechterhelft van het gezicht, spiegelden het beeld en printten laag voor laag een nieuw gezichtsdeel op basis daarvan. Met behulp van magneten die in de schedel zijn geschroefd is het masker goed te plaatsen. De man ziet er weer bijna net zo uit als voorheen.
LayerWise
Titaniumkaak
Een 3D-printer printte in een paar uur een kaak op maat van titanium.
Vrouw krijgt een kaak op maat Voor Oog, jukbeen en een deel van de kaak waren na een tumorverwijdering weg.
dawoodandtanner.co.uk
Na een operatie van een paar uur en vier dagen in het ziekenhuis mocht een 83-jarige Nederlandse vrouw in 2012 naar huis met een nieuwe kaak. Haar eigen kaak was weggeteerd door een ontsteking. Eerst scanden de artsen de kaakholte van de vrouw, waarna ze een kaak op maat konden maken. Ze printten de onderkaak van titanium, dat in poedervorm laagje voor laagje werd opgespoten en vastgelast met een microlaser. Voorheen zouden de artsen de kaak hebben hersteld tijdens een 20 uur durende operatie, waarna een ziekenhuisverblijf van vier weken was gevolgd.
Na Een 3D-printer vulde het gezicht aan, zodat het weer bijna als vanouds is.
Door Gorm Palmgren.
35
Print: slu Status: 750 - Sprog godkendt Layout:KM Red.sek:LNI
Prothesen in een paar uur geprint
1 2 3 4
Lichaamsdelen kweken op 3D-sjablonen De 3D-printer maakt een sjabloon van een orgaan, waar onderzoekers levende cellen op enten. Zo kunnen ze in de toekomst complexe organen vervaardigen, zoals een nier.
5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
S. Senne/Ap/Polfoto
6
Op maat gemaakt oor groeit in rat In 2013 maakte de arts Lawrence Bonassar van de Cornell University in New York, VS, het oor van zijn 5-jarige dochter exact na. Een 3D-printer printte een gietvorm van thermoplast, die volledig overeenkwam met het meisjesoor. De vorm werd gevuld met levende kraakbeencellen en vloeibaar bindweefsel, en in een paar uur was het mengsel gestold tot een oor. Toen Bonassar de vorm opende, was het levende oor in principe klaar om aan een hoofd gezet te worden, waar het nauwelijks van het origineel te onderscheiden zou zijn. De arts wilde testen of het oor zijn vorm zou behouden en of de cellen zouden
blijven leven, en daarom bracht hij het oor aan onder de huid van een rat. Toen hij het drie maanden later weer uit de rat verwijderde, had het oor zelf meer kraakbeen met precies de juiste elastische consistentie gevormd. Alles duidde erop dat het gezond was en als nieuw orgaan zou kunnen fungeren. De nieuwe techniek moet nog wel grondig worden getest voor deze goedgekeurd kan worden. De arts implanteert het oor in een rat, zodat het kan groeien. Na drie maanden heeft het oor zo veel kraakbeen gevormd dat het gereed is voor de patiënt.
26 27 28
Kunstoor
Nieuw oor in vorm uit de 3D-printer gegoten
29 30 31 32 33 35 36 37 38 39
1. Het goede oor van de patiënt 2. Op de computer wordt er een 3. Op basis van het model wordt 4. Daar gaat bindweefsel met wordt van alle kanten gescand.
3D-spiegelbeeld van gemaakt.
er een plastic gietvorm geprint.
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Sjabloon is exacte kopie van nier Sommige organen zijn heel complex van structuur, en om goed te kunnen werken moeten de celtypen precies in verhouding tot elkaar staan. De nier is zo’n orgaan. De urine wordt gevormd in zogeheten nefronen, die aan het uiteinde zitten van uitlopers van het orgaan. In 2012 scande Roland Partridge van de University of Edinburgh in Schotland de nier van een muis, en de computer maakte een 3D-model van de inwendige structuur van het orgaan, waar in principe cellen op geënt kunnen worden.
54
De nier, die van kunststof is geprint, kan in principe worden geënt met levende cellen en een geheel nieuwe nier vormen.
55 56 57
Roland Partridge, Noel Conlisk and Jamie A. Davies/University of Edinburgh
58 59
36
Wetenschap in Beeld
. 1/2014
Niersjabloon
levende kraakbeencellen in, en na een paar uur is het oor klaar.
5. Het oor wordt onder de
huid van een rat aangebracht om meer kraakbeen te vormen.
Reiffel et al. & Claus lunau
34
wordt afgebroken kan de kraakbeenwand van de bronchus zich herstellen, zodat hij zichzelf open kan houden en na drie jaar zonder enig hulpmiddel functioneert.
Voor mij is het magie. Met weinig meer dan wat ‘stof’ bouwen we hele lichaamsdelen.
Printer redt duizenden levens
Glenn Green, arts, University of Michigan
Sommige artsen willen de 3D-printer nu zodanig upgraden dat hij niet langer uitsluitend ‘dode’ prothesen maakt, maar ook levende kopieën, die het werk van een echt orgaan kunnen uitvoeren. Het doel is om zowel ziekenhuizen als hun patiënten van de lange wachtlijsten voor donororganen af te helpen. In de EU en VS overlijden ongeveer 14.000 mensen per jaar omdat ze vergeefs op een orgaan wachten. Als ziekenhuizen standaard 3D-organen gaan printen, kunnen er heel wat levens worden gered. De organen kunnen op diverse manieren worden geprint, maar er zijn twee basistechnieken: óf de onderzoekers printen Houder met cellen en gel het orgaan zelf, óf ze
printen een sjabloon. In dat laatste geval spuit de 3D-printer een materiaal dat biologisch afbreekbaar is en maakt hij een model van het orgaan, waarop levende cellen worden gekweekt. Naarmate de cellen groeien, lost het sjabloon verder op, waarna er een levende kopie van het orgaan overblijft. De techniek is geschikt voor organen die overwegend uit één celtype bestaan, zoals oren, die primair uit kraakbeencellen zijn opgebouwd. Ook hebben onderzoekers sjablonen in de vorm van een buisje geprint, met een binnen- en een buitenkant. Ze willen op de twee kanten verschillende celtypen laten groeien, die later, als het sjabloon is afgebroken, bij elkaar komen. Op die
Printerkop met buisjes
Bloedvat Sturing van printerkop
1. De printer spuit druppels met cellen in een gel die de cellen op hun plaats houdt.
Een 3D-printer is net een gewone printer, maar print niet met inkt maar met een mengsel van cellen en gel. mikkel juul jensen
Eén druppel ‘3D-printerinkt’ bevat 100 cellen Een gewone 3D-printer op basis van cellen werkt door druppeltjes met een diameter van 0,2 millimeter af te vuren, die elk circa 100 cellen bevatten. De methode werkt prima als artsen bijvoorbeeld een orgaan als een oor willen printen, waarbij ze een groot vlak met cellen bedekken. Hier is de locatie van één cel minder van belang, en het voordeel is dat het vrij snel gaat. Maar als de artsen verfijndere organen moeten printen, gebruiken ze een veel
tragere, maar preciezere lasertechniek om elke cel precies op de juiste plek te krijgen. De laserstraal beïnvloedt de cellen en de gel waarin ze zijn opgelost op meerdere manieren. Daardoor kunnen de artsen steeds één cel vangen en vasthouden. Als ze de laserstraal verplaatsen, schuift de cel mee en belandt hij op de goede plaats. De methode wordt onder meer gebruikt om bloedvaten met verschillende cellen aan de binnen- en de buitenkant te printen.
2. Laag voor laag wordt het orgaan – hier een bloedvat – opgebouwd in de gel.
3. De cellen zijn vergroeid en de gel is
verwijderd; het bloedvat is klaar voor gebruik.
1/2014
. Wetenschap in Beeld
37
Print: slu Status: 750 - Sprog godkendt Layout:KM Red.sek:LNI
ontwierp hij het voorwerp waarmee de jongen ooit weer een normaal leven zou kunnen leiden: een kort buisje met een iets grotere diameter dan die van de luchtpijpvertakking, dat in geopende toestand om het versmalde deel van de bronchus paste. Via kleine gaatjes was het buisje vast te naaien aan de broze kraakbeenwand van de bronchus, die dan wijd open gehouden kon worden. Toen hij ermee klaar was, deed de arts biologisch afbreekbare kunststof in de 3D-printer en even later had hij het buisje in handen – klaar om het bij Kaiba te implanteren. Het voorwerp werkte geheel volgens plan. Zeven dagen na de operatie kwam de gewenningsfase waarin de jongen zelf weer adem moest halen. Na drie weken verwijderden de artsen de slang die hem in leven had gehouden door lucht in zijn longen te blazen. Sindsdien ademt de jongen normaal. Naarmate het buisje heel langzaam
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
manier is het in principe mogelijk om darmen te maken die aan de binnenkant uit slijmvliescellen bestaan en aan de buitenkant uit spiercellen – maar tot dusver is niemand daarin geslaagd. Voor de andere basistechniek is geen sjabloon nodig waar de cellen op moeten groeien, want het orgaan wordt daarbij geprint met behulp van levende cellen in plaats van inkt. Net zoals een gewone printer inktpatronen in verschillende kleuren heeft, kun je in de 3D-printer ‘cartridges’ plaatsen met een inhoud van verschillende celtypen. Meestal is er ook een patroon bij met kleverige gel, die de cellen bijeenhoudt en de holtes vult, zoals in een bloedvat. De 3D-printer brengt de gel en de celtypen in ingewikkelde patronen laagsgewijs over elkaar aan, en als de gel na verloop van tijd vanzelf is opgelost, blijft alleen nog het driedimensionale orgaan over. De techniek belooft veel goeds, maar staat nog in de kinderschoenen. Tot nog toe is ze alleen gebruikt om eenvoudige
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Ik wil voor de ontwikkeling van medicijnen doen wat Apple voor de muziek deed. Leroy Cronin, scheikundige, University of Glasgow
Ingrediënten voor medicijn Potje om medicijn in te mengen
Met een simpele 3D-printer kan de patiënt zelf een potje printen om zijn medicijn in te mengen. Wikipedia
versies van organen te maken, zoals een stuk huid en bloedvaten. De scheikundige Leroy Cronin van de University of Glasgow in Schotland ziet een grote toekomst voor de 3D-printer voor zich. Vooral medicijngebruikers zijn er volgens hem bij gebaat. In 2012 liet Cronin zien hoe je zelf je eigen medicijn kunt printen, zodat je je het loopje naar de apotheek kunt besparen. Een arts kan tegelijk met het recept een document verstrekken dat de patiënt op zijn computer uitleest. Daarin wordt uitgelegd hoe je het geneesmiddel maakt op basis van simpele chemicaliën. Ook bevat het bestand het ontwerp van de apparatuur die nodig is om de chemische
reacties te laten plaatsvinden. Als de patiënt thuis zijn eigen 3D-printer heeft aangesloten, kan hij of zij op ‘print’ drukken – en daar ontstaat een compleet minilaboratorium met potjes voor de benodigde ingrediënten en leidinkjes die deze mengen, voordat ze doorgaan naar een heuse reactiekamer. De volgende stap is dat het plastic in de printerpatronen wordt vervangen door simpele chemicaliën en dat de printer ervoor zorgt dat de nodige ingrediënten op de juiste tijd en plek worden gedoseerd. Het resultaat is dat de patiënt binnen een paar uur zijn geneesmiddel heeft geprint, zonder dat hij daarvoor de deur uit hoeft. Leroy Cronin verwacht veel van de techniek, die volgens hem zal leiden tot een betere behandeling voor mensen die in afgelegen gebieden wonen waar geen apotheek in de buurt is. Waarschijnlijk gaan medicijnen dan ook in prijs omlaag, want bedrijven besparen op fabrieken, verpakking, distributie en opslag. Als dit alles werkelijkheid wordt, kunnen we het medicijnkastje thuis uitruimen om plaats te maken voor de 3D-printer. Ook de pleisters kunnen op een dag de deur uit, want dan dichten we een wond gewoon met een stukje huid, geprint van onze eigen cellen.
37 38 39 40 41
Het ene oor in, hetzelfde oor uit
42 43 45 46 47 48 49 50
Michael McAlpine van de Amerikaanse Princeton University denkt nog verder en ontwikkelt cyborgorganen, waarbij een mens met een machine versmelt om betere eigenschappen te krijgen. Zo printte hij een oor dat met een ingebouwde antenne naar de radio kan luisteren. Het oor is geprint met kraakbeencellen die het
51 52 53
wibnet.nl
54
Kunstoor houdt van Beethoven
55 56
Luister en zie hoe het oor de melodie van Für Elise opvangt.
57
www.wibnet.nl/3d-oor
58 59
38
Wetenschap in Beeld
. 1/2014
levende weefsel van het oor gaan vormen, nanozilverdeeltjes voor de antenne en siliconen als ondersteuning van het elektronische circuit. Zilver geleidt elektrische stroom, en de nanodeeltjes zijn flexibel genoeg om een circuit mee op te zetten. De wetenschapper koppelde twee kunstoren aan elkaar. De antennes werden elk via een radio-ontvanger aan een luidspreker gekoppeld, en aan een apparaat dat de radiosignalen analyseert die het oor opvangt. Toen de oren de radiogolven van Für Elise van Beethoven hoorden, kwam er muziek van prima stereokwaliteit uit de luidsprekers.
Oor met ante nne
In het oor van kraakbeencellen is een antenne gegoten. Het hoort geluid zonder luidspreker.
Princeton University
44
Onderzoekers printen organen zonder een sjabloon te gebruiken, dat ze hun vorm zou kunnen geven. De methode is nog nieuw, maar heeft het voordeel dat de organen direct te implanteren zijn.
Bloedvat buigt naar behoefte
kleine rondjes van bindweefselcellen, die in laagjes op elkaar komen.
2. De cellen vormen een buisje, en door de lagen iets te laten verspringen komt er een knik in.
3. Het geprinte bloedvat kan alle kanten op buigen, zodat de artsen precies de juiste vorm kunnen maken.
De huid is een complex orgaan met meerdere celtypen, die de juiste onderlinge verhouding moeten hebben. Maar in 2013 wist Stefanie Michael van de Hannover Medical School in Duitsland levende huid te printen met geavanceerde lasertechnologie. De 3D-printer maakte 20 laagjes met fibroblastcellen voor het onderste deel van de huid en toen 20 laagjes keratinocieten voor de opperhuid. Stukjes printhuid met een diameter van zes millimeter werden op muizen aangebracht, waar stukjes van hun eigen huid verwijderd waren. De printhuid paste zich goed aan en na 11 dagen waren de geprinte en natuurlijke uid huid bijna niet meer van Normale muizenh elkaar te onderscheiden. Op termijn kan de 3D-printer een snelle, goedkope bron van huid voor mensen met grote brandwonden worden. Onderzoekers hebben huid met meerdere laagjes gemaakt, net als natuurlijke huid.
kuhnstefMichael et al.
1. Een 3D-printer print
Thinkstock
Onderzoekers hebben een bloedvat met knikjes en bochten gemaakt.
Muis krijgt huid met echte cellen
Adolfo Vera/Aalto University
Als artsen een bloedvat nodig hebben dat via een bepaalde route van het ene orgaan naar het andere gaat, kunnen ze dat het beste printen met levende cellen, zodat het precies de juiste vorm en kronkels heeft. Dat is dan ook precies wat Yong Huang van de Clemson University in South Carolina, VS, in 2012 deed met behulp van een 3D-printer die rondjes van bindweefselcellen laagje voor laagje op elkaar stapelde. Die laagjes vormden een buisje, en door ze iets ten opzichte van elkaar te laten verspringen, kreeg het groeiende bloedvat een knikje. Op die manier slaagde Huang erin bloedvaten te printen die bepaalde kanten op kronkelden.
Kunsthuid
Minilever is een grote stap vooruit Een kunstlever is op zich al een ambitieus doel, en in 2013 deden onderzoekers van het bedrijf Organovo in Californië, VS, er nog een schep bovenop: ze printten een miniatuurversie van een menselijke lever. Hij bestaat uit drie celtypen in 20 laagjes, met precies de juiste onderlinge verhoudingen. De cellen werken nauw samen en hebben dezelfde taken als een gewone lever, zoals cholesterol produceren en gifstoffen onschadelijk maken. Alleen meten de levers in het experiment slechts vier bij één millimeter.
Lever met dri soorten cellene
De lever bestaat uit hepatocieten (blauw), endotheelcellen (rood) en zogeheten HSC-cellen (groen). claus lunau & Organovo, Inc.
1/2014
. Wetenschap in Beeld
39
Print: slu Status: 750 - Sprog godkendt Layout:KM Red.sek:LNI
Organen maken van levende cellen
