Bliksemsnelle 3D-bioprinter voor ziektemodellen

Onderzoekers van het UMC Utrecht ontwikkelen een 3D-printer die binnen enkele minuten een deel van het menselijk lichaam kan namaken, inclusief levende cellen. Daarmee wordt het mogelijk om individuele modellen van delen van een patiënt te maken, bijvoorbeeld om buiten het lichaam geneesmiddelen te testen. UMC Utrecht-onderzoeker Riccardo Levato ontving op 3 september een ERC-grant daarvoor.

Een klassieke 3D-printer is als een banketbakker die laagje na laagje een taart opmaakt. De printer spuit een sneldrogend plastic in een tweedimensionale vorm op een oppervlak, waarna er een tweede laagje bovenop kan, enzovoort. Na uren laagjes stapelen staat daar het resultaat: van schaakstuk tot Domtorentje. Ook medische wetenschappers proberen deze klassieke laagjesmethode al jaren toe te passen door protheses of zelfs hele organen te printen. Maar hoewel 3D-printers intussen overweg kunnen met lichaamsvriendelijke, flexibele materialen die levende cellen bevatten, blijft het laagjesprincipe – net zoals het opmaken van een slagroomtaart – een tijdrovend proces, waarbij de overlevingskans van de cellen sterk verminderd

Hologram

Volgens Riccardo Levato, onderzoeker Biofabrication en Regeneratieve Geneeskunde bij het UMC Utrecht, komt daar verandering in. Samen met collega’s van de technische universiteit van Lausanne werkt hij aan volumetrisch bioprinten. Met die techniek bouwt een printer het 3D-model niet op in laagjes, maar komt het tot stand in een draaiende container met een vloeibare gel die stolt wanneer hij in contact komt met laserlicht. Door de container daar vanaf verschillende hoeken mee te belichten, ontstaat in de gel een driedimensionaal beeld. “Dat beeld, het lijkt op een hologram, wordt vrijwel meteen hard. Niet laagje voor laagje”, zegt Riccardo.

Individueel model

Met die manier van 3D-printen lukt het om bliksemsnel driedimensionale objecten te printen zoals een hartklep, een stuk van een dijbeen of een meniscus. De onderzoekers kunnen aan de gel zelfs lichaamseigen stamcellen toevoegen. Dat stelt onderzoekers in staat om delen van een patiënt snel en nauwkeurig na te bouwen, zodat ze biologische processen buiten het lichaam kunnen bestuderen. “Wij denken in eerste instantie aan individuele modellen, zodat we bij ziekte meer te weten kunnen komen over een specifieke patiënt”, zegt Riccardo. Met deze baanbrekende techniek komen we ook een stap dichterbij om uiteindelijk hele organen te printen waardoor bijvoorbeeld nierdialyse overbodig wordt en patiënten niet meer afhankelijk zijn van donororganen.

Hoewel deze techniek nog in ontwikkeling is, is Riccardo’s bioprinter een gamechanger op het gebied van medisch 3D-printen. Hij kreeg een startsubsidie van de European Research Council van 1,8 miljoen euro voor het ontwikkelen van nieuwe 3D-modellen om ziekten te bestuderen. Daarmee kan hij een eigen onderzoeksgroep opstarten en geavanceerde apparatuur aanschaffen.

Bloedcellen uit het lab

Uiteindelijk hoopt Riccardo dat zijn bioprinter organische protheses kan maken van lichaamseigen materiaal. “Dankzij de subsidie hopen we de techniek zo ver te hebben ontwikkeld dat een driedimensionaal model van een bot, inclusief beenmerg, uit de printer rolt. Wij willen het model zo natuurgetrouw mogelijk printen, inclusief beenmergcellen die witte en rode bloedcellen aanmaken”, zegt Riccardo. “Dat stelt ons in staat om bepaalde ziektes, zoals leukemieën, te bestuderen.” Met zo’n model kunnen artsen bepalen welke therapie het beste aansluit op een individuele patiënt. “Veel geneesmiddelen zijn kostbaar en hebben bijwerkingen. Met een accuraat model kun je zo’n behandeling testen voor je iemand eraan blootstelt.” Bijkomend voordeel: dankzij zo’n model zijn minder dierproeven nodig bij het ontwikkelen en testen van geneesmiddelen.

Hoewel Riccardo nog maar net is begonnen met het project, denkt hij nu al na over de volgende stap. Nu het mogelijk is om individuele modellen te maken, is de vraag hoe complex die moeten zijn. Daarbij krijgt hij hulp van collega’s uit het UMC Utrecht. “Is ieder anatomisch detail van belang, of kunnen we het simplificeren? Zijn alle cellen in een botstructuur belangrijk om na te maken als we maar één aspect willen bestuderen? Dat zijn vragen waar we samen met onze biomedische collega’s over nadenken. Samen ontwikkelen we de techniek en bepalen we de kaders. Het is een multidisciplinair project, dat aansluit bij de biomedische expertise van het UMC Utrecht, de Universiteit Utrecht en het hele Utrecht Science Park.”