Orgaankweek is een baanbrekend onderzoeksveld dat streeft naar het kweken van gezonde menselijke organen en cellen in het laboratorium, voor transplantatie in het menselijk lichaam.
Dit gebied biedt enorme beloften voor de behandeling van een reeks ernstige ziekten, waaronder chronische aandoeningen, ernstige verwondingen en aangeboren afwijkingen.

Het idee om menselijke organen in het laboratorium te kweken bestaat al vele jaren, maar pas de laatste jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt op dit gebied.
Het begin werd gekenmerkt door pogingen om individuele cellen in het laboratorium te kweken, en later vorderden wetenschappers naar het kweken van eenvoudige weefsels.
Een belangrijke doorbraak in weefselmanipulatie vond plaats in de jaren '90. 3D-printen zelf werd al in 1984 uitgevonden (stereolithografie, Charles Hull), en het printen van levende cellen (bioprinten) werd voor het eerst gedemonstreerd in 2003. De combinatie van deze technologieën maakte het mogelijk om complexere driedimensionale structuren te creëren.

Weefselmanipulatie:

Deze technologie richt zich op het kweken van menselijke cellen op driedimensionale steigers, waarbij een orgaanachtige structuur en functie wordt gecreëerd. Dit proces verloopt in verschillende stappen:

Celselectie: Geschikte menselijke cellen worden uit verschillende bronnen gehaald, zoals een biopsie van de patiënt, stamcellen of embryonale cellen.
Cellen vermenigvuldigen: De cellen vermenigvuldigen zich in het laboratorium onder gecontroleerde omstandigheden.
Steiger: Het creëren van een driedimensionale steiger van biologische of synthetische materialen, die als basis dient voor de weefselgroei.
Zaaien: De cellen worden op de steiger geplaatst.
Rijping: Het creëren van optimale omstandigheden voor de weefselgroei, met toevoer van voedingsstoffen en zuurstof.
Transplantatie: Nadat het weefsel voldoende is gegroeid en ontwikkeld, kan het in het lichaam van de patiënt worden getransplanteerd.

Weefselmanipulatie maakt de kweek van een breed scala aan weefsels mogelijk, waaronder:

Huid: Voor de behandeling van brandwonden, chronische wonden en plastische chirurgie.
Bot: Voor de behandeling van breuken, verwondingen en orthopedische operaties.
Spier: Voor de behandeling van spierblessures, spierdystrofie en spierafbraak.
Kraakbeen: Voor de behandeling van artritis, kraakbeenletsels en orthopedische operaties.
Bloedvaten: Voor de behandeling van hart- en vaatziekten, orgaantransplantaties en complexe operaties.

De belangrijkste uitdagingen op het gebied van weefselmanipulatie:

Het creëren van bloedvaten: De toevoer van zuurstof en voedingsstoffen naar alle delen van het weefsel is essentieel voor het succes ervan.
Zenuwintegratie: Het tot stand brengen van een normaal zenuwcontact tussen het getransplanteerde weefsel en het lichaam van de patiënt.
Immunologische afstoting: Het voorkomen van afstoting van het getransplanteerde weefsel door het immuunsysteem van het lichaam.

3D-printen van organen:

Deze baanbrekende technologie maakt het mogelijk om kunstmatige organen te creëren door menselijke cellen en biologische materialen te printen. Het printproces gebeurt in lagen, met behulp van speciale 3D-printers.

Voordelen van 3D-printen:

Nauwkeurigheid: Het creëren van organen met een complexe en precieze structuur.
Personalisatie: Het printen van organen op maat van de patiënt, met behulp van zijn eigen cellen.
Beschikbaarheid: Potentieel om het aanbod van beschikbare organen voor transplantatie te vergroten.

De belangrijkste uitdagingen op het gebied van 3D-printen:

Materialen: Ontwikkeling van geschikte biologische materialen voor het printen en voor de normale werking van het orgaan.
Bloedvaten: Het creëren van een efficiënt bloedvatenstelsel in het geprinte orgaan.
Rijping: Het creëren van optimale omstandigheden voor de ontwikkeling van het geprinte weefsel.

Stamceltransplantatie:

Stamcellen zijn ongedifferentieerde cellen met een hoog differentiatievermogen. Deze cellen kunnen zich ontwikkelen tot een breed scala aan celtypen, waardoor ze een potentiële oplossing vormen voor de behandeling van verschillende ziekten.

De uitdagingen waarmee het veld wordt geconfronteerd:

Complexe weefselmanipulatie: Het creëren van organen met volledige functionaliteit, zoals een bloedvaten- en zenuwstelsel. Tot nu toe zijn wetenschappers erin geslaagd om alleen relatief eenvoudige organen te kweken, en er is nog geen manier om complexe organen met volledige functionaliteit te creëren.
Immunologische afstoting: Het voorkomen van afstoting van het getransplanteerde orgaan door het immuunsysteem van het lichaam. Een mogelijke oplossing voor dit probleem is het kweken van organen uit genetisch gematchte cellen van de patiënt, of het gebruik van immunosuppressiva.
Ethische beloften: Het kweken van menselijke organen in het laboratorium roept complexe ethische vragen op, zoals:
- Toewijzing van organen: Hoe wordt bepaald wie een getransplanteerd orgaan krijgt en wie op de wachtlijst blijft?
- Commercialisering van organen: Zullen organen voor iedereen beschikbaar zijn, of alleen voor degenen die het zich kunnen veroorloven?
- Het creëren van "menselijke huisdieren": Is het gepast om menselijke organen te kweken voor transplantatie bij dieren?

Wetenschappelijke vooruitgang op dit gebied:

De afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van orgaankweek. Wetenschappers zijn erin geslaagd om relatief eenvoudige organen in het laboratorium te kweken, zoals de urineblaas en de urethra, en deze met succes bij patiënten te transplanteren. Ook zijn er aanzienlijke vorderingen gemaakt bij het kweken van complexere weefsels, zoals het hart en de lever.

De toekomst van orgaankweek:

Het gebied van orgaankweek zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen in de geneeskunde.
In de toekomst zal het misschien mogelijk zijn om voor elke persoon op maat gemaakte organen en cellen in het laboratorium te kweken, waardoor ernstige ziekten kunnen worden genezen en de kwaliteit van leven van miljoenen mensen wereldwijd kan worden verbeterd.

Baanbrekende experimenten op dit gebied:

Weefselmanipulatie:

Een team van wetenschappers van Wake Forest University (onder leiding van Dr. Anthony Atala) slaagde erin een menselijke urineblaas in het laboratorium te kweken uit de eigen cellen van de patiënt en deze met succes bij patiënten te transplanteren (2006).
Een team van wetenschappers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (onderzoek onder leiding van Dr. Atlantida Raya-Rivera, uitgevoerd in Mexico-Stad) slaagde erin een menselijke urethra in het laboratorium te kweken uit de cellen van de patiënten en deze met succes te transplanteren bij vijf jongens (2011).

3D-printen van organen:

Een team van wetenschappers van het Wyss Institute van Harvard University slaagde erin om 3D-geprinte menselijke niertubuli te printen die verbonden zijn met bloedvaten, die de absorptiefunctie van de nier nabootsen (2019).
Een team van wetenschappers van de Universiteit van Tel Aviv slaagde erin een klein menselijk hart ter grootte van een kers te 3D-printen, uit de cellen van een patiënt. Dit was slechts een proof of concept: de cellen trokken samen, maar het hart was nog niet in staat om bloed te pompen (2019).
Een team van wetenschappers van de University of California, Los Angeles (UCLA) slaagde erin om uit stamcellen een driedimensionale longorganoïde te kweken ("long op een schaaltje"), een kleine structuur die de luchtzakjes van de long nabootst (dit is celkweek, geen 3D-printen).

Stamceltransplantatie:

Een team van wetenschappers uit Japan (Riken Institute, onder leiding van Dr. Masayo Takahashi) voerde in 2014 's werelds eerste transplantatie uit van cellen afgeleid van geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) in het oog van een patiënt met leeftijdsgebonden maculadegeneratie (AMD). Het doel van het experiment was voornamelijk het testen van de veiligheid, en het slaagde erin de progressie van de achteruitgang te stoppen (geen duidelijke verbetering van het gezichtsvermogen werd aangetoond).
Een team van wetenschappers uit de Verenigde Staten slaagde erin stamcellen te transplanteren bij een verlamde ruggenmergpatiënt, met als doel de motorische functie te verbeteren.
In de Verenigde Staten (UCSF, onder leiding van Dr. Tippi MacKenzie) werd 's werelds eerste klinische proef uitgevoerd voor het transplanteren van stamcellen in de baarmoeder bij foetussen die lijden aan ernstige alfa-thalassemie, met behulp van beenmergcellen van de moeder. De proef (fase 1) toonde veiligheid en haalbaarheid aan, maar leidde niet tot volledige genezing van de ziekte.

.
Referenties:

https://newsroom.wakehealth.edu/news-releases/2006/04/wake-forest-physician-reports-first-human-recipients-of-laboratorygrown-organs
https://www.cnbc.com/2016/02/16/wake-forest-university-scientists-print-living-body-parts.html
https://school.wakehealth.edu/research/institutes-and-centers/wake-forest-institute-for-regenerative-medicine
https://healthland.time.com/2011/03/08/scientistis-grow-a-new-urethra-and-possibly-many-other-human-organs-in-the-lab/
https://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-5494600,00.html
https://wyss.harvard.edu/news/a-step-forward-in-building-functional-human-tissues/
https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/03/harvard-scientists-bioprint-3-d-kidney-tubules/
https://www.ft.com/content/5bb992ca-5390-11e4-929b-00144feab7de
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9537826/