SEM-opname van een met behulp van MEW geprint vezelpatroon in het kader van onderzoek aan het trabeculaire netwerk. Voor betere visualisatie zijn de vezels achteraf met de computer gekleurd (foto: Marcus Koch).

De intrinsieke motivatie van Gosia achter haar onderzoek is het tot een minimum beperken van dierproeven. Naast ethische redenen vindt ze –en met haar velen– dat veel diermodellen helemaal niet zo effectief zijn in hun voorspelbaarheid naar mensen. “Door structuren te maken die lijken op menselijk weefsel en daarop laboratoriumtesten uit te voeren voor bijvoorbeeld nieuwe medicijnen, kan je met meer zekerheid iets over de effecten van die geneesmiddelen zeggen zonder dat je hiervoor dieren hoeft te gebruiken. In eerste instantie willen we op basis van die structuren weefselmodellen voor in vitro testen ontwikkelen, die beter transleerbaar zijn, meer relevante informatie bieden dan diermodellen. In het verlengde daarvan kan dat ook leiden tot implantaten ter vervanging van defect weefsel.”

Haar aanpak richt zich op het maken van weefselconstructen, die bestaan uit verschillende materialen. Dat zijn in de regel complexe structuren met een bepaalde hiërarchie in de structuur. Ze zijn bijvoorbeeld meerlaags, zoals modellen voor de huid, of zijn spatieel gedifferentieerd, zoals modellen voor de verbinding tussen zacht en hard weefsel. Denk daarbij aan het grensvlak tussen bot en pezen of tussen bot en kraakbeen.

Voor het maken van de structuren worden zowel in Groningen als in Gliwice verschillende printtechnieken ingezet. Naast bioprinting (het printen van materiaal dat levende cellen bevat, veelal hydrogels) is dat Melt Electro Spinning Writing (MEW). Bij deze techniek wordt net als bij conventionele 3D-printers een polymeer gesmolten. Extrusie vindt echter plaats in een sterk elektrisch veld, waar door een electrospinning effect een zeer stabiele, flinterdunne draad ontstaat. Hiermee kunnen vezels worden geprint met een dikte in de ordegrootte van 5 tot 20 micrometer. Deze kunnen ook nog eens zeer nauwkeurig worden gepositioneerd, zodat je heel precies een gewenst patroon kan printen, waarmee je de scaffold kunt opbouwen. In een later stadium kan je dan op dit dragermateriaal cellen aanbrengen, door ze te ‘zaaien’ of met behulp van een bioprinter cellen op specifieke plekken van de scaffold te printen.

Naast het vinden en ontwikkelen van de meest geschikte materialen voor het printen van een bepaald weefselconstruct wordt veel onderzoek gedaan naar het optimaliseren van de bio-instructieve eigenschappen van de materialen. Op welke manier je bepaalde eigenschappen of functionaliteiten aan de materialen kan geven die van invloed zijn op het gedrag van de cellen, bijvoorbeeld dat ze goed groeien.

De bioprinter heeft een multifunctionele printerkop met vijf modules.

Naast het richting geven aan het gedrag van de cellen kan je door variatie in de structuur, door het maken van speciale patronen, mechanische functionaliteiten meegeven aan het materiaal, die meer verband houden met de structuur dan met de eigenschappen van het materiaal zelf. Deze zogenaamde meta-materialen worden bijvoorbeeld ontwikkeld in een onderzoeksproject naar defecten in het trabeculaire netwerk, een onderdeel van het oog, dat er voor zorgt dat het kamervocht weg kan vloeien. Dit netwerk functioneert daarbij als als een soort van zeef, waardoor het vocht een weerstand ondervindt en de oogdruk wordt opgebouwd. Bij de oogaandoening open hoek glaucoom verliest het trabeculaire netwerk het vermogen om de oogdruk op peil te houden door middel van afvoer van het kamerwater. Hierdoor ontstaat een te hoge druk, wat kan leiden tot beschadiging van de oogzenuw en blindheid.

Het exacte mechanisme achter deze verandering is nog niet goed begrepen en de beschikbare in vitro modellen slagen er niet in om de complexe structuur van het netwerk na te bootsen. Met MEW kan je scaffolds printen met een hiërarchie in de structuur, die de geleidelijke overgang nabootsen van vezels met relatief grote tussenruimtes naar dunnere vezels met veel smallere tussenruimtes. Door vervolgens trabeculaire netwerkcellen op de scaffolds te zaaien en het construct met vloeistof te doorstromen heb je een model dat de natuurlijke omstandigheden van een humaan trabeculair netwerk beter benadert. In die hoedanigheid kan het dienen als in vitro platform voor het testen van geneesmiddelen.

Een complexer systeem, waar in Groningen en Gliwice ook onderzoek aan wordt gedaan, is de hard-zacht weefselinterface, bijvoorbeeld de verbinding tussen bot en pees. “Op die plekken zien we op een zeer kleine schaal enorme veranderingen in de zachtheid en stijfheid van het weefsel en ook in de structuur en de biologische en chemische eigenschappen. Door met MEW een soort gradiënt in het patroon aan te brengen heb je al een beetje invloed op de mechanische en biologische eigenschappen. Maar daar bovenop voegen we ook plaatsafhankelijk bepaalde cellen toe aan een hydrogel, waarmee we een extra laag complexiteit in het systeem printen. Op die manier kan je een systeem maken dat er grofweg als volgt uitziet. In het zachte deel heeft de scaffold minder geprinte vezels en dus relatief grote poriën waarin met een bioprinter hydrogel met verschillende celtypes in wordt afgezet. Aan de andere kant, zeg maar het botgedeelte, liggen de vezels dichter bij elkaar en zijn ze ook dikker. Ook is er een ander type hydrogel met andere cellen geprint”, legt Gosia uit.

Achter de paar zinnen waarin Gosia de essentie van een hard-zacht weefselinterface beschrijft zit een gedetailleerde optimaliseringsslag om tot het beste resultaat te komen. Dat gaat van de klimaatomstandigheden in het laboratorium tot aan het printproces. En verder dan dat. “Stel je hebt één printproces geoptimaliseerd. Maar als je dat wilt combineren met een ander proces, dan moet je ook nadenken over hoe je twee materialen, twee processen kunt combineren. En als je twee verschillende materialen hebt, dat ze echt aan elkaar hechten en later niet losraken.”

In het geval van de bot-pees interface was een eerste doel om te onderzoeken in hoeverre op de scaffolds gezaaide tenocyten (bindweefselcellen in pezen) kunnen groeien, en onder welke omstandigheden. Dit werd onderzocht in een statische toestand, en een dynamische waarbij, analoog aan het bewegen van mensen, de interface-constructie steeds iets werd uitgerekt en weer losgelaten. In die zin is het een model voor regeneratie: hoe gemakkelijk of moeilijk is het om peesweefsel te regenereren en wat is daarvoor nodig?

De ambitie gaat echter nog verder. “Het doel van deze studie was ook om onderzoek te doen naar de mogelijkheid van implantaten. Als je een gescheurde pees hebt, of als deze harde en zachte weefselgrensvlakken zijn beschadigd, ontstaat er vaak littekenweefsel, dat andere eigenschappen heeft dan het omliggende weefsel. Als je het construct als implantaat beschouwt, dan kan je het zachte deel van je scaffold verbinden met het zachte weefsel, en het harde met het harde weefsel. De gradiënt tussen die twee, die voor ons lichaam het moeilijkst te regenereren is, dan al aanwezig. Een gradiënt, die je nog verder kan verfijnen door in de hydrogel specifieke groeifactoren toe te voegen, waarmee we de groeiomstandigheden voor de cellen beter in de hand hebben. Dat krijgen we steeds beter onder de knie, niet in de laatste plaats omdat we nu in de het safety cabinet in het bioprinting lab verschillende printtechnieken in één apparaat kunnen combineren”, aldus Gosia.