Weefselregeneratie en tissue-engineering

Auteur: Harry Dolstra en Marcel Karperien

22 juni 2016

De ontdekking van de mesenchymale stamcellen is te danken aan het pionierswerk van de Russische onderzoeker Alexander Friedenstein. In het midden van de jaren zestig van de vorige eeuw beschreef hij voor het eerst cellen die sterk leken op fibroblasten (bindweefselcellen) en die hij relatief eenvoudig kon isoleren uit het beenmerg. In tegenstelling tot de andere bloedvormende cellen in het beenmerg waren deze fibroblast-achtige cellen in staat om aan het plastic van een petrischaaltje te hechten. Na enkele uren konden de bloedcellen eenvoudig verwijderd worden door het petrischaaltje voorzichtig te wassen. De fibroblast-achtige cellen bleven achter en groeiden uit tot kleine kolonies. Dit is nog steeds verreweg de eenvoudigste manier om deze cellen uit het beenmerg te isoleren.

Friedenstein toonde vervolgens aan dat deze cellen multipotente eigenschappen bezaten; de cellen konden differentiëren naar botvormende cellen, kraakbeencellen, vetcellen en naar mesenchymale stromale cellen die de functie van de bloedvormende stamcellen konden ondersteunen. Friedenstein noemde deze cellen destijds fibroblast-achtige ‘colony forming units’. Pas in de jaren tachtig van de vorige eeuw kwam voor dit celtype de naam mesenchymale stamcel (MSC) in zwang vanwege hun vermogen om in vitro te differentiëren naar verschillende typen bindweefsel. Een ander kenmerk van een stamcel is het vermogen om zichzelf te vernieuwen. Zelfvernieuwing is echter nog niet onomstotelijk aangetoond voor MSCs in tegenstelling tot bijvoorbeeld de embryonale stamcel en de bloedvormende stamcel. Dit is de reden dat in de wetenschappelijke literatuur MSCs ook wel aangeduid worden als mesenchymale stromale cellen.

Sinds de ontdekking van Friendenstein zijn MSCs inmiddels geïsoleerd uit nagenoeg alle weefsels van het menselijk lichaam. Weefsels met een groot regeneratief vermogen, zoals bot en onderhuids vetweefsel, bevatten relatief veel MSCs. Foetaal weefsel bevat een hoger percentage MSCs dan volwassen weefsel en met het ouder worden neemt dit percentage verder af. Tijdens de foetale ontwikkeling en de kindertijd spelen deze cellen een primaire rol bij de aanleg en groei van organen. Aan het eind van de pubertijd, wanneer de groei stopt, verandert hun rol. In het volwassen lichaam spelen de MSCs een centrale rol bij het onderhouden van weefselhomeostase door te zorgen voor nieuwe aanwas van cellen om versleten en afgestorven
cellen te vervangen.

Stamcel als dirigent in weefselherstel

Verder spelen deze cellen een essentiële rol bij het wondgenezingsproces na het oplopen van een trauma. Signaalmoleculen die vrijkomen in het beschadigde weefsel zijn in staat om MSCs te mobiliseren en actief naar de plaats van onheil te laten migreren. Eenmaal ter plekke kunnen deze cellen, gebruikmakend van hun multipotente eigenschappen, het beschadigde weefsel herstellen door te differentiëren naar nieuwe weefsel-specifieke cellen.

Althans dat was het idee. Recent onderzoek heeft aangetoond dat deze simplistische gedachte over de rol van MSCs bij weefselherstel niet langer houdbaar is. Nieuwe inzichten schrijven een andere, zo niet nog belangrijkere rol toe aan de MSCs in weefselherstelreacties: de MSC wordt nu veel meer gezien als de dirigent van het herstelproces. Als reactie op een weefselbeschadiging scheidt de MSC verschillende groeifactoren uit die de activiteit van immuuncellen remmen en ontsteking onderdrukken. Daarnaast scheiden ze groeifactoren uit die de omliggende cellen aanzetten tot delen en weefselvorming.

De MSC reageert hierbij sterk op zijn omgeving. Signalen die de MSC opvangt uit zijn omgeving zorgen voor een cellulaire respons die optimaal afgestemd is op de behoefte van het zich herstellende weefsel. Elke fase van het herstelproces, maar ook elk weefsel, vraagt immers om een eigen, specifieke set van groeifactoren voor optimaal herstel. Deze nieuwe inzichten betekenen overigens niet dat de MSC nooit differentieert naar een weefsel-specifieke cel, maar de hoeveelheid cellen die dit gedrag vertoont, lijkt relatief klein. De MSC als dirigent in een zogenaamde trofische of ondersteunende rol is van groter belang. Veel van de klinische trials die op dit moment plaatsvinden met patiënteigen MSCs beogen juist deze eigenschap te benutten om zo weefselherstel te bespoedigen.

Afhankelijk van de kweekcondities kunnen mesenchymale cellen (MSCs), geïsoleerd uit het beenmerg van muizen, differentiëren naar vetdruppeltjes bevattende vetcellen (links), botcellen die hun extracellulaire matrix mineraliseren (botmineraal is zichtbaar gemaakt door de rode aankleuring) (midden), of kraakbeencellen die een extracellulaire matrix aanleggen van collageen type 2 en glycosaminoglycanen (rechts). Deze laatste suikermoleculen zijn zichtbaar gemaakt door de lichtrode aankleuring. Vergroting boven 0.01 millimeter, midden en onder 0,1 millimeter.

Biowetenschappen en maatschappij

Het gemak waarmee MSCs geïsoleerd en gekweekt kunnen worden, hun rol in natuurlijk weefselherstel, en hun vermogen om te differentiëren in verschillende celtypen, leidden in de jaren negentig van de vorige eeuw tot een ware hausse en groot optimisme. Genezing van onbehandelbare gecompliceerde botbreuken of van kraakbeentrauma in het gewricht lag voor het oprapen door simpelweg gebruik te gaan maken van patiënteigen MSCs. Dit optimisme werd ondersteund met eerste (pre)klinische data die veelbelovende resultaten lieten zien.

Nieuwe discipline tissue-engineering

De beschikbaarheid van MSCs heeft ook een grote impuls gegeven aan de ontwikkeling van een nieuwe discipline die bekend staat als tissue-engineering. In de tissue-engineering wordt kennis vanuit de biologie en geneeskunde gecombineerd met inzichten vanuit typische engineeringdisciplines zoals de chemie, materiaalkunde, de fysica en de mechanica. Met deze ingenieursvaardigheden zou het mogelijk moeten zijn om nieuwe organen en weefsels voor transplantatie te maken in het laboratorium.

Het klassieke tissue-engineeringconcept bestaat uit vier stappen. Eerst wordt van een patiënt met bijvoorbeeld een onbehandelbare gecompliceerde botbreuk een weefselbiopt genomen (1). Uit het biopt worden MSCs geïsoleerd die men vervolgens laat opgroeien in het laboratorium(2). Wanneer voldoende cellen verkregen zijn, kunnen deze cellen aangezet worden tot het vormen van nieuw botweefsel (3). Hierbij wordt vaak gebruikgemaakt van een dragermateriaal, dat als tijdelijke scaffold dient voor het nieuw te vormen weefsel. Het geeft structuur en mechanische eigenschappen die normaal pas ontstaan als het weefsel volledig uitgerijpt is. (4) Ten slotte wordt het artificiële weefsel teruggeplaatst in de patiënt.

Schema van het tissueengineeringparadigma voor een patiënt die door een ongeval een oor is verloren:
1 isolatie stamcellen uit de patiënt en vermenigvuldiging via celkweek;
2 stamcellen worden gecombineerd met een dragermateriaal in de vorm van een oorschelp;
3 met weefselkweek wordt een functionele oorschelp gemaakt;
4 oorschelp wordt in de patiënt getransplanteerd.

Wake forest institute, Biowetenschappen en maatschappij

In een alternatieve benadering kunnen de cellen na opgroeien ook rechtstreeks in het beschadigde gebied teruggeplaatst worden om in vivo bij te dragen aan de vorming van nieuw weefsel. Een klassiek voorbeeld van tissue engineering is het experiment waarin op de rug van een muis een nieuw oor werd gekweekt.

Uitdaging: grotere weefsels in leven houden

De praktijk is echter weerbarstiger. Het maken van functioneel weefsel blijkt veel uitdagender dan in eerste instantie gedacht. Het is relatief eenvoudig om MSCs in het laboratorium te laten differentiëren naar bot-, kraakbeen- en vetachtige cellen en hiermee miniweefseltjes te maken van enige millimeters groot. Wanneer je deze cellen en het nieuw gevormde weefsel in detail gaat bestuderen, vind je een aantal overeenkomsten maar ook nog steeds een groot aantal verschillen met natuurlijk weefsel. Kortom de differentiatieprotocollen zijn nog niet toereikend om in het laboratorium op grote schaal functioneel weefsel te maken dat equivalent is aan het weefsel in ons lichaam. Daarbij heeft de patiënt met een gecompliceerde botbreuk geen baat bij behandeling met miniweefseltjes. De patiënt heeft nieuw bot nodig in de grootteorde van enige centimeters. Het kweken van dit soort grote stukken weefsels uit MSCs in het laboratorium is nog steeds een uitdaging. Het in leven houden van grote weefselconstructen stelt hoge eisen aan massatransport van nutriënten, zuurstof en afvalstoffen. In de natuur is dit opgelost doordat in normaal weefsel elke cel op minder dan 200 µm van een bloedvat verwijderd ligt. In het laboratorium is nog niet goed mogelijk om een stukje geproduceerd bot te voorzien van zenuwcellen of een functioneel bloedvatstelsel. Dit vraagt om nieuwe benaderingen.

Bioprinting van organen lijkt een veelbelovende oplossing. In deze benadering wordt met een 3D-printer de hiërarchie van de weefselstructuur zo goed als mogelijk nagebouwd door verschillende celtypen (MSCs, endotheelcellen, zenuwcellen, primaire weefselcellen) te combineren met printbare biomaterialen. Sinds de ontdekking door Friendenstein blijft de veelzijdigheid van de MSC-onderzoekers over de hele wereld verbazen. In de regeneratie van beschadigd of verloren gegaan bot- en kraakbeenweefsel is de MSC niet meer weg te denken.

Natural killercellen: geboren om te doden

De naam van de natural killercel verklapt het eigenlijk al: geboren om te doden. Deze waakzame killercellen zijn speciale witte bloedcellen die een belangrijke schakel vormen in de afweer tegen bacteriën, virussen en ook tumorcellen. Killercellen hechten zich vast aan een tumorcel, perforeren het membraan en injecteren enzymen die de tumorcel aanzetten tot geprogrammeerde celdood. Daarom zou het toedienen van extra killercellen aan patiënten met kanker een aanvullende therapie kunnen zijn.

Het verkrijgen van natural killer(NK)-cellen gebeurt door ze uit bloed te zuiveren of door ze te kweken in een bioreactor. Het is inmiddels gelukt om NK-cellen te kweken vanuit bloedvormende stamcellen afkomstig uit verschillende stamcelbronnen zoals beenmerg en navelstrengbloed. Met een speciaal ontwikkelde kweekmethode is aangetoond dat grote hoeveelheden actieve NK-cellen kunnen worden gekweekt uit voorgekweekte of geëxpandeerde bloedstamcellen. De gekweekte NK-cellen vertonen een sterk dodend effect tegen leukemiecellen en andere typen kankercellen. Met deze kweekmethode is het mogelijk de benodigde hoeveelheden antitumor NK-cellen te produceren onder de vereiste wettelijke condities.

Het toedienen van deze gekweekte ‘nieuwe’ NK-cellen zou theoretisch kunnen bijdragen aan het opruimen van tumorcellen. Preklinisch onderzoek in muizen lijkt deze hypothese inderdaad te staven. Om deze NK-celtherapie naar de patiënt te brengen, is in een eerste klinische fase-I-studie de veiligheid aangetoond in oudere patiënten met een vorm van bloedkanker (acute myeloïde leukemie) die in remissie is gekomen na standaard chemotherapie, maar met een hoge kans op terugkeer van de ziekte. Voordat de

NK-cellen werden toegediend, kregen de patiënten een korte chemokuur met afweeronderdrukkende medicijnen. Dit om te voorkomen dat het immuunsysteem van de patiënt de ‘vreemde’ NK-cellen direct zou uitschakelen. Na toediening blijven de NK-cellen één tot anderhalve week in het bloed circuleren en komen ze ook in het beenmerg terecht waar de leukemiecellen zich bevinden.

Vervolgonderzoek moet uitwijzen hoe deze NK-celtherapie verder kan worden verbeterd, bijvoorbeeld door het verblijf en groei in vivo te verhogen met NK-celgroeifactoren. Verder is het interessant om te kijken of de gekweekte NK-cellen ook geschikt zijn voor andere tumortypes, of dat een combinatie met anti-tumormedicijnen de werking verbetert, en of het ter plekke toedienen van NK-cellen in de buikholte ervoor zorgt dat ze de tumoren aldaar direct aanvallen.

Immunotherapie met gekweekte NK-cellen heeft zeker potentie een belangrijke rol te gaan spelen in nieuwe combinatietherapieën tegen kanker, maar meer onderzoek en schaalvergroting van de productie uit verschillende stamcelbronnen is nodig om deze therapie door te ontwikkelen.