De wetenschap haalt overal inspiratie uit voor een doorbraak. Een plakplaat met bacteriën gaf ons het eerste antibioticum: penicilline. Door gist te combineren met een platina-elektrode onder spanning, kregen we een krachtig medicijn voor chemotherapie: cisplatine. Dr. Andrew Pelling van de Universiteit van Ottawa haalt zijn radicale ideeën uit de sciencefictionklassieker The Little Horror Store. Hij houdt vooral van de belangrijkste antagonist van de film: de kannibalistische plant Aubrey 2.
Het is iets dat lijkt op een plant met zoogdiereigenschappen, zei Pelling deze week op de Exponential Medicine-conferentie in San Diego. "Dus we begonnen ons af te vragen: kan dit in een laboratorium worden gekweekt?"
Het uiteindelijke doel van Pelling is natuurlijk niet om een sci-fi-monster tot leven te brengen. In plaats daarvan wil hij begrijpen of conventionele planten de nodige structuur kunnen bieden om menselijk weefsel te vervangen.
Opkomst van mechanobiologie
Het kweken van een menselijk oor uit appels lijkt misschien een vreemd proces, maar het uitgangspunt van Pelling is dat de vezelige binnenkant opvallend veel lijkt op de micro-omgevingen waarin biologisch ontwikkeld menselijk weefsel gewoonlijk in laboratoria wordt gekweekt.
Om bijvoorbeeld een oor te vervangen, snijden of 3D-printen wetenschappers routinematig holle steunstructuren van dure biocompatibele materialen. Vervolgens inoculeren ze menselijke stamcellen in deze structuur en voorzien ze deze nauwgezet van een cocktail van groeifactoren en voedingsstoffen, waardoor de cellen worden aangemoedigd om te groeien. Uiteindelijk, na weken en maanden van incubatie, prolifereren de cellen en differentiëren ze tot huidcellen in de bossen. Het resultaat is een biologisch ontwikkeld oor.
Het probleem is dat de toetredingsdrempel erg hoog is: stamcellen, groeifactoren en materialen voor bossen zijn allemaal duur in aanschaf en moeilijk te produceren.
Promotie video:
Maar zijn deze componenten echt nodig?
Door een reeks experimenten hebben Pelling en anderen ontdekt dat deze mechanische krachten niet alleen een bijproduct van de biologie zijn; ze reguleren eerder fundamenteel de onderliggende moleculaire mechanismen van de cel.
Eerdere studies hebben aangetoond dat elke fase van de embryogroei - "een fundamenteel proces in de biologie" - kan worden gereguleerd en gecontroleerd door mechanische informatie. Met andere woorden, fysieke krachten kunnen cellen ertoe aanzetten zich te delen en door weefsels te migreren, aangezien onze genetische code de ontwikkeling van het hele organisme stuurt.
In het laboratorium blijkt het uitrekken en mechanisch stimuleren van cellen hun gedrag radicaal te veranderen. In één test strooide het team van Pelling kankercellen op een vel huidcellen die op de bodem van een petrischaal waren gegroeid. Kankercellen komen samen in kleine balletjes en vormen een duidelijke barrière tussen de microtumor- en huidcellen.
Maar toen het team van wetenschappers het hele cellulaire systeem in een apparaat plaatste dat het enigszins rekte - de ademhaling en lichaamsbeweging nabootst - werden de tumorcellen agressief en drongen ze de laag huidcellen binnen.
Wat nog cooler is: er is geen actieve beweging nodig om mechanische krachten het celgedrag te laten veranderen. De vorm van de micro-omgeving is voldoende om hun acties te sturen.
Toen Pelling bijvoorbeeld twee soorten cellen in een fysieke structuur met groeven plaatste, lieten de cellen zichzelf binnen een paar uur los en groeide het ene type in de groeven en het andere op hogere projecties. Door simpelweg de vorm van dit gegolfde oppervlak te voelen, 'leerden' ze te scheiden en ruimtelijk te passen.
Dus: met slechts één vorm kunnen cellen worden gestimuleerd om complexe driedimensionale modellen te vormen.
En hier zal de appel ons helpen.
Een appel … of een oor?
Onder de microscoop bevindt de micro-omgeving van een appel zich op dezelfde lengteschaal als kunstmatige oppervlakken voor het maken van vervangende weefsels. Deze ontdekking deed wetenschappers zich afvragen: is het echt mogelijk om de oppervlaktestructuur van deze plant te gebruiken om menselijke organen te laten groeien?
Om dit te testen, namen ze een appel en wasten alle plantencellen, DNA en andere biomoleculen. Er zijn alleen nog maar vezelige steigers - ze blijven nog steeds tussen je tanden steken. Toen het team menselijke en dierlijke cellen erin plaatste, begonnen de cellen te groeien en zich te verspreiden.
Aangemoedigd door het resultaat, sneden de wetenschappers een appel in de vorm van een menselijk oor en herhaalden ze het bovenstaande proces. Binnen een paar weken prolifereerden de cellen en veranderden een stuk appel in een vlezig menselijk oor.
Eén vorm is natuurlijk niet genoeg. Het vervangende weefsel moet ook wortel schieten in het lichaam.
Het team implanteerde vervolgens appelbossen direct onder de huid van de muis. In slechts acht weken koloniseerden gezonde muiscellen niet alleen de matrix, maar het lichaam van het knaagdier produceerde ook nieuwe bloedvaten die de bossen hielpen leven en gedijen.
Biologisch ontwikkeld weefsel heeft drie belangrijke eigenschappen: het is veilig, het is biocompatibel en het wordt geproduceerd uit een hernieuwbare, ethische bron.
Verhuizen van theorie naar praktijk
Pelling is vooral onder de indruk van haar resultaten vanwege de eenvoud: er zijn geen stamcellen of exotische groeifactoren voor nodig. De elegante aanpak maakt simpelweg gebruik van de fysieke structuur van de plant.
Het team breidt momenteel zijn werk uit naar drie hoofdgebieden van tissue engineering: kraakbeen van zacht weefsel, botweefsel, ruggenmerg en zenuwen. Het belang is om de specifieke microstructuur van de plant af te stemmen op het weefsel.
En waarom zouden we ons beperken tot het lichaam dat de natuur ons heeft gegeven? Als steigervormen de enige bepalende factor zijn voor weefsel- of orgaantechniek, waarom zou u dan niet uw eigen vormen maken?
Pelling bewapende zichzelf met dit idee en creëerde een ontwerpbedrijf dat drie verschillende soorten oren zou steunen: gewone mensenoren, puntige oren zoals die van Spock, en golvende oren, die in theorie verschillende frequenties zouden kunnen onderdrukken of versterken.
Ilya Khel
