Een 3D-bioprinter die meekijkt en meedenkt
Orgaandonoren redden levens, bijvoorbeeld van patiënten met nierfalen. Helaas zijn er te weinig donoren en is de wachtlijst lang. Het 3D-bioprinten van (delen van) organen kan in de toekomst een oplossing bieden voor dit tekort. Maar het printen van weefsels, bioprinten, is extreem complex en uitdagend.
Het team van Riccardo Levato van het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht zet nu een belangrijke stap richting het printen van implanteerbare weefsels. Door middel van zogenaamde computervisie, een tak van kunstmatige intelligentie (AI), ontwikkelde het team een 3D-printer die niet alleen print, maar ook meekijkt én zelf mee ontwerpt. Dit werd vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Daarmee pakt het team een van de grootste uitdagingen in het 3D-bioprinten aan: het verbeteren van de overleving én het functioneren van cellen in geprint levend weefsel. Maar hoe werkt dat precies?
3D-printen kennen we als het laag-voor-laag printen van structuren. Maar 3D-printen kent ook andere vormen, zoals volumetrisch printen. Hierbij wordt in één keer een volledige structuur geprint, met behulp van een lichtgevoelige gel die onder invloed van cel vriendelijk laserlicht hard wordt. Het voordeel: deze vorm van printen is ontzettend snel (secondes) en bovendien ‘vriendelijker’ voor de kwetsbare cellen. Voor het maken van een goede print moet je begrijpen wat er in het printmateriaal zit, zodat het geprinte weefsel zo optimaal mogelijk in elkaar zit. De nieuwe technologie, genaamd GRACE, maakt dit mogelijk. Het opent nieuwe mogelijkheden in het bioprinten van functionele weefsels. En is daarmee een stap richting het herstel van letsel, het testen van medicijnen en zelfs het vervangen van complete organen.
Waarom is deze innovatie nodig?
Wat is 3D-bioprinten?
Bij 3D-bioprinten maken onderzoekers functionerende weefsels en organen van levende cellen. Het is dus 3D-printen, maar in plaats van met plastic wordt er met levende cellen geprint. Het doel: de cellen op zo’n manier printen dat ze samen een functionerend weefsel vormen. Dit brengt enorme uitdagingen met zich mee. Levende cellen zijn kwetsbaar en zouden niet overleven in een normale 3D-printer. Daarom ontwikkelde het team van Riccardo Levato een speciale ‘bio-inkt’, een mix van voedzame gels en cellen die de cellen beschermt tijdens het printproces.
Volumetrisch bioprinten
Met de ontwikkeling van bio-inkten werd laag-voor-laag 3D-bioprinten mogelijk. Het laag-voor-laag printen kost echter veel tijd en geeft veel stress op de cellen. Daar bedachten de Utrechtse onderzoekers een oplossing voor: volumetrisch bioprinten.
Volumetrisch bioprinten is sneller én vriendelijker voor cellen. Door middel van laserlicht wordt binnen tientallen secondes een print gemaakt. “Om een object te maken, richten we een reeks lichtprojecties op een ronddraaiende buis met daarin de cellen opgenomen in een lichtgevoelige gel. Op de plekken waar het licht samenkomt, verhardt het materiaal,” legt Riccardo uit. “Zo ontstaat er in één keer een volledig 3D-object, zonder dat we de cellen hoeven aan te raken.” Hiervoor is het belangrijk om een goed beeld te hebben waar welke cellen zich bevinden in de lichtgevoelige gel. Dat maakt GRACE nu mogelijk.
Innoveren met laserlicht
Sammy Florczak, PhD-student in Riccardo’s lab, houdt zich bezig met de ontwikkeling van GRACE, ook wel Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing. Hij bouwde een nieuw apparaat in een gespecialiseerd laboratorium, met behulp van geavanceerde lasertechnologieën. Voor je het laboratorium binnen stapt hangt er een rood licht met ‘LASER’ die laat zien of je binnen kunt komen. Licht is namelijk niet alleen belangrijk voor de printstap maar ook voor de extra stap in de nieuwe technologie. GRACE combineert de bestaande print technieken met geavanceerde beeldvorming door middels van lasers. Maar wat kunnen we daar precies mee?
Slimme bloedvaten rondom levende cellen
Een van de grootste uitdagingen in 3D-bioprinten is het printen van functionele bloedvaten. Bloedvaten zorgen ervoor dat cellen zuurstof en voedingsstoffen krijgen en het accuraat printen hiervan is dus essentieel voor het maken van levende weefsels. Bij huidige printmethoden wordt een 3D-ontwerp gemaakt voordat bekend is waar de cellen zich bevinden in de lichtgevoelige gel, en dus ook waar de bloedvaten geprint moeten worden. Met GRACE ‘ziet’ de printer waar de cellen zich bevinden en ontwerpt binnen enkele seconden een netwerk van bloedvaten rond die cellen, zo efficiënt mogelijk.
Van blauwdruk naar maatwerk
“Voorheen was het printproces altijd afhankelijk van de ontwerper van de blauwdruk. GRACE denkt ook zelf mee aan het ontwerp,” legt Sammy uit. “De printer ‘ziet’ welke cellen er in het printmateriaal zitten en waar deze zich bevinden. Vervolgens gebruikt de printer deze informatie en maakt, door middel van AI-tools, een passend ontwerp voor het te printen object. Deze nieuwe 3D-bioprinter heeft als het ware zijn eigen ogen en hersenen. Dit maatwerk levert weefsels op die beter overleven én beter functioneren.”
Meer dan alleen bloedvaten
De nieuwe technologie GRACE kan meer dan alleen adaptieve bloedvaten maken. De technologie is ook in staat om meerdere printstappen automatisch op elkaar af te stemmen. Denk bijvoorbeeld aan een geprint stuk botweefsel waarop later nog een laag kraakbeen moet worden toegevoegd. Normaal is dat een lastig proces waarbij veel handwerk komt kijken. GRACE scant het bestaande weefsel en ontwerpt en print er automatisch een tweede laag boven op die perfect past.
Nog maar het begin
Bioprinten is veelbelovend, maar er is nog veel werk nodig om deze technologie naar de kliniek te brengen. Riccardo benadrukt dat verder onderzoek nodig is om te bepalen hoe geprinte cellen kunnen uitgroeien in weefsel dat de functie van natuurlijk weefsel kan vervangen. Ondanks de uitdagingen die nog voor ons liggen, is Riccardo niet bang om groots te dromen. “Dit eerste werk aan GRACE is nog maar het begin. We werken nu aan het vergroten van het aantal cellen dat geprint kan worden, zodat ook andere weefsels zoals hart en lever geprint kunnen worden. Bovendien willen we deze techniek openlijk toegankelijk maken voor andere laboratoria, zodat zij het kunnen toepassen op hun eigen printmethodes.”