Sleutel tot het nabootsen van menselijk weefsel: ERC-grant voor studie naar hydrogels
Hydrogels zijn een speciaal soort materiaal dat de groei van menselijke cellen kan ondersteunen en waardoor weefsels zoals huid of bindweefsel ontstaan. Hoewel hydrogels van nature in het menselijk lichaam voorkomen, kunnen ze ook synthetisch worden gemaakt. Onderzoekers aan de Universiteit Maastricht hebben deze synthetische hydrogels verfijnd, en kunnen daarmee menselijk weefsel nauwkeurig nabootsen. Door die aanpassingen vormen hydrogels voor cellen de ideale omgeving om te groeien zoals ze dat in het menselijk lichaam zouden doen. Deze hydrogels zijn te printen in 3D, wat mogelijkheden biedt om celtherapieën te verbeteren, medicijnen te testen en kleine weefsels te maken. De onderzoekers hebben hun bevindingen recent gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials, waarmee ze bovendien de basis legden voor de succesvolle ERC-aanvraag van Matt Baker (zie sidebox).
Celomgeving
Hydrogels vormen de perfecte omgeving voor menselijke cellen om te groeien tot weefsels zoals huid, kraakbeen of bindweefsel. Deze hydrogels komen van nature voor in het menselijk lichaam, bijvoorbeeld in de vorm van collageen. Omdat bekend is hoe het lichaam deze hydrogels maakt, kunnen onderzoekers ze namaken. Deze synthetische hydrogels kunnen worden gebruikt bij medische behandelingen van beschadigd weefsel, zoals bij huidwonden of een gescheurde knieband. Ze kunnen het menselijk lichaam helpen om beschadigd weefsel te herstellen, vervangen of opnieuw op te bouwen.
Tot dusver waren synthetische hydrogels voor menselijke cellen een plek waar ze konden overleven, maar het weefsel dat uit de groei van die cellen voortkwam kwam was niet zo complex als natuurlijk menselijk weefsel. Matt Baker, universitair docent aan het MERLN-instituut van de Universiteit Maastricht, legt uit: "De menselijke cellen in synthetische hydrogels waren net als beren in de dierentuin. Beren kunnen in leven blijven in een kleine kooi met alleen water en voedsel. Maar om zich natuurlijk te gedragen hebben ze een omgeving nodig die gevuld is met bomen, begroeiing en rivieren. Op dezelfde manier hebben we synthetische hydrogels nodig die de superstructuur van het menselijk lichaam nabootsen, zodat cellen kunnen functioneren zoals ze in het menselijk lichaam zouden doen."
![hydrogel](/sites/default/files/2023-05/Screenshot%202023-05-08%20at%2015.17.14.png)
MERLN-onderzoeker Matt Baker ontving onlangs een prestigieuze ERC Consolidator Grant voor een studie naar de mogelijkheid om biomaterialen op basis van deze hydrogels niet alleen flexibel, zelfherstellend en zo natuurlijk mogelijk te maken, maar ook met specifieke informatie over hoe de cellen in de loop van de tijd zouden moeten evolueren. Het is al de tweede ERC Consolidator Grant die in 2023 aan een wetenschapper van het MERLN-insituut wordt toegekend; eerder dit jaar viel Sabine van Rijt dezelfde eer te beurt.
![hydrogel](/sites/default/files/styles/1056x668/public/2023-05/Screenshot%202023-05-08%20at%2015.17.14.png?itok=V85uWjUB)
Zelfherstellende synthetische hydrogel, gemaakt door onderzoekers van het MERLN Instituut aan de UM
Beeld: MellowFlowMotion
Natuurlijke habitat
Baker en zijn team hebben ontdekt hoe ze een meer 'natuurlijke habitat' kunnen creëren voor menselijke cellen. Door vettige moleculen toe te voegen aan de hydrogels, kunnen ze de complexe eigenschappen van natuurlijke hydrogels nabootsen: zacht en met een vezelstructuur. Maar het gaat verder dan dat. De hydrogels gedragen zich op dezelfde manier als het speelgoed Silly Putty: ze kunnen worden uitgerekt en samengeknepen zonder te scheuren. Net als Silly Putty zijn hydrogels zelfherstellend en kunnen ze, nadat er krachten op worden uitgeoefend, terugkeren naar hun oorspronkelijke structuur of opnieuw worden gebruikt. Ze passen zich dus aan het lichaam aan en zijn tegelijkertijd vertrouwd voor de cellen.
Volgens Baker biedt het afstemmen van de grootte en de hoeveelheid vettige moleculen de sleutel tot het maken van een realistische celomgeving voor het maken van verschillende soorten weefsels. "Door te 'spelen' met de hoeveelheid vettige moleculen die we toevoegen, hebben we controle over de eigenschappen van de hydrogels", zegt hij. “Door meer vettige moleculen toe te voegen, krijg je relatief elastische hydrogels die geschikt zijn voor bijvoorbeeld het maken van huidweefsel. Door minder vetzuren toe te voegen ontstaan zachtere, vloeibaardere hydrogels die ideaal zijn voor bijvoorbeeld breinweefsel en vet, omdat die vervormbaar moeten zijn. We kunnen hydrogels dus aanpassen aan het specifieke deel van het lichaam waar we ze willen gebruiken."
3D-printbaar
Hoewel het toevoegen van vettige moleculen aan hydrogels simpel is voor scheikundigen, heeft het resultaat ervan belangrijke gevolgen. Met name omdat ze 3D-printbaar zijn, wat uniek is aan deze hydrogels. "Het is vrij eenvoudig om te doen, maar de implicaties zijn groot. Door hydrogels te combineren met menselijke cellen, kunnen we een structuur 3D-printen die buiten het menselijk lichaam groeit tot menselijk weefsel,” legt Baker uit. Dat kan de effectiviteit van celtherapietherapieën voor bijvoorbeeld artrose te verbeteren, waarbij cellen worden ingespoten om kraakbeen te repareren of op te bouwen en zo pijn en stijfheid in gewrichten te verminderen. Bovendien kan 3D-geprint weefsel worden gebruikt voor vroegtijdige fase farmacologische tests, als alternatief voor het testen van medicijnen op dieren.
De klassieke gedachte achter weefselengineering is dat 3D-geprint weefsel in het lichaam te geïmplanteerd wordt, waar het beschadigd weefsel repareert, vervangt of opnieuw opbouwt. Baker: "Mensen praten graag over het 3D-printen van een hart. Hoewel we daar nog ver vanaf zijn, is het 3D-printen van een mix van realistische celomgevingen en menselijke cellen een van de vele stappen die we moeten zetten naar het 3D-printen van patiëntspecifieke organen."
Dit onderzoek werd gefinancierd door de European Research Council (ERC), de Nederlandse Organisatie voor Wetenschppelijk Onderzoek (NWO) en Regenerative Medicine Crossing Borders partners (RegMed XB).
![3D-print](/sites/default/files/2023-05/3D-print.png)
Hydrogels gecombineerd met menselijke cellen kunnen 3D-geprint worden in structuren zoals deze om menselijk weefsel te laten groeien (Beeld: MellowFlowMotion).
Lees ook
-
Wanneer twee gedreven geesten elkaar ontmoeten, kunnen er geweldige dingen gebeuren. Een paar maanden geleden kwam Lucas, student Human Movement Sciences, Juan tegen, een alumnus van Governance and Leadership in European Public Health, tijdens een Maastricht Social Run. Een gesprek over trainen voor...
-
Kan urine worden gebruikt om niercelcarcinoom op te sporen? De huidige aanpak bij kleine niermassa's is in de meeste gevallen een preventieve gedeeltelijke of volledige verwijdering van de nier, waarbij niet altijd duidelijk is of de massa goedaardig of kwaadaardig is. Moleculair epidemioloog Kim...
-
Neurowetenschapper Dennis Hernaus onderzoekt het beloningssysteem in ons brein. Hoe zorgt dit “breinnetwerk” ervoor dat wij gemotiveerd raken?