3D-bioprinten van kraakbeen

Welke techniek?

‘Tissue engineering’ en 3D-bioprinten kunnen mogelijk worden toegepast om kraakbeenimplantaten op maat te maken voor patiënten met brandwonden. Hiervoor worden autologe cellen geoogst uit een klein stukje vitaal kraakbeen van de patiënt, aangevuld met vetstamcellen uit bijvoorbeeld buikvet. De klinische toepassing van beide technieken staat momenteel nog in de kinderschoenen, maar grote ontwikkelingen binnen deze gebieden maken het interessante technieken voor de toekomst.

Waarom is er behoefte aan een nieuwe techniek?

De reconstructie van een ernstig verminkt oor is een medische uitdaging. Het oor heeft niet alleen een zeer complexe driedimensionale structuur, maar dient daarnaast bijzonder flexibel en stevig te zijn. Door de locatie en de vorm is het oor uitermate kwetsbaar voor thermisch letsel. De meeste ontwikkelingen op het gebied van oorreconstructie komen voort uit corrigerende ingrepen bij congenitale aandoeningen, zoals microtie (dat is abnormale kleinheid van de oorschelpen). Microtie wordt al decennialang gereconstrueerd met autoloog ribkraakbeen of synthetisch materiaal.

Een oorreconstructie bij patiënten met brandwonden kan complexer zijn dan bij congenitale afwijkingen, omdat het omliggende weefsel bij brandwondpatiënten vaak ook beschadigd is (figuur 1). Dit bemoeilijkt niet alleen reconstructiemogelijkheden, maar geeft ook een verhoogde kans op problemen bij het gebruik van synthetische implantaten. In deze omstandigheden heeft ribkraakbeen de voorkeur, al heeft dit weefsel ook praktische beperkingen. Het is daarom interessant om te kijken naar de potentiële rol van tissue engineering – waarbij uit natuurlijk materiaal kunstmatig weefsels gekweekt kunnen worden – en 3D-bioprinten, waarbij driedimensionale samenstellingen van levende cellen, materialen en groeifactoren door een 3D-printer worden gemaakt.

Welke indicaties?

De unieke vorm van de oorschelp wordt grotendeels bepaald door de structuur van het kraakbeen. Oorkraakbeen is avasculair weefsel dat bestaat uit een extracellulaire matrix met onder andere collageen en elastine, waarin talrijke cellen ingebed zijn. Wanneer een oor ernstig verminkt is, kan dit niet alleen tot esthetische en functionele problematiek leiden, maar ook ernstige psychische problemen veroorzaken.

De huid van het oor is dun en biedt daarom weinig bescherming van het kraakbeen. Omdat kraakbeen avasculair is, ontstaat er na verbranding geen regeneratie van weefsel. De overliggende eschar – de wondkorst als gevolg van een thermische verbranding – en het verbrande kraakbeen dienen gereseceerd te worden in verband met de hoge kans op infectie. De reconstructie die volgt is niet alleen nodig om esthetische, maar ook om functionele redenen.

Welk probleem wordt hiermee opgelost?

De huidige reconstructietechnieken, zoals met synthetische implantaten en autoloog ribkraakbeen, zijn limiterend, vooral als het gaat om vorm en materiaal. Een synthetisch implantaat is gemaakt van kunststof en wordt onder de huid geïmplanteerd. Het heeft een verhoogd risico op blootstelling en secundaire infectie.1 Met autoloog ribkraakbeen zijn prachtige resultaten geboekt. Het is echter niet ideaal omdat het kraakbeen met de hand gesculpteerd moet worden en minder flexibel is dan oorkraakbeen.2 Als reconstructie niet mogelijk is, kan een zogenoemde epithese nog een alternatief zijn, zoals eerder in het NTvG is beschreven.3

De grootste limiterende factor in brandwondenchirurgie is, behalve de kwaliteit en vorm van het implantaat, de bedekking met vitale huid. Voor de bedekking van een implantaat worden idealiter dunne, goed gevasculariseerde lappen huid gebruikt. Verbrande huid en littekenweefsel voldoen echter niet aan deze criteria. Om vitale huid voor oorreconstructie te verkrijgen, kan gebruik worden gemaakt van postauriculaire huid of een fascielap van de radiale zijde van de onderarm dan wel van de temporopariëtale regio. Daarnaast wordt veel onderzoek gedaan naar huid die door tissue engineering is verkregen.

Het ultieme kraakbeenimplantaat bij brandwondpatiënten bestaat uit een voorgevormd biocompatibel en biodegradeerbaar materiaal met autologe cellen. Het produceren van zo’n implantaat kan worden bewerkstelligd met behulp van 3D-bioprinten.

Wat is er bekend over de effectiviteit?

3D-bioprinten kan uitkomst bieden voor het creëren van persoonlijke kraakbeenimplantaten. 3D-gebioprinte structuren zijn gebaseerd op CT, MRI of 3D-fotografie van de patiënt. Als een 3D-beeld is verkregen, kan dit digitaal bewerkt worden (figuur 2). Voor het maken van een oorkraakbeenimplantaat door 3D-bioprinten is dus zowel beeldvorming als digitale bewerking nodig. Het proces waarbij zowel cellulair als dragermateriaal gezamenlijk in een 3D-constructie geprint kan worden, is fascinerend maar heeft wel beperkingen.

De kwaliteit van het kraakbeen waaruit het implantaat bestaat is heel belangrijk. Om met tissue engineering kraakbeen van dezelfde flexibiliteit en stevigheid te verkrijgen als het oorspronkelijke oorkraakbeen dient niet alleen de vorm, maar ook de structuur op het niveau van de extracellulaire matrix nagebootst te worden. De juiste combinatie van cellen, extracellulaire eiwitten en dragermateriaal (‘scaffold’) is cruciaal. Het produceren van deze combinatieconstructie is niet gemakkelijk, maar er zijn 2 manieren waarop dit bewerkstelligd kan worden.

Ten eerste kan gebruik worden gemaakt van bioprinten. Hierbij wordt de 3D-printer gevuld met een mix van kraakbeencellen en biomaterialen – bio-inkt –, die laag voor laag op elkaar worden geprint in de vorm van het te verkrijgen kraakbeenskelet. Ten tweede kan het kraakbeenskelet vormgegeven worden door een 3D-geprinte scaffold die vervolgens in het laboratorium bezaaid wordt met levende cellen.

Beide technieken hebben voor- en nadelen. Bioprinten staat nog in de kinderschoenen en voordat dit geïmplementeerd kan worden in de kliniek dient er nog veel onderzoek gedaan te worden naar tissue engineering in vitro. Aan de andere kant is bioprinten een relatief eenvoudige manier, aangezien met een druk op de knop het volledige kraakbeenimplantaat inclusief scaffold en cellen geproduceerd kan worden. De techniek van het printen van een 3D-scaffold en vervolgens in vitro bezaaien met levende cellen is al in een verder stadium dan bioprinten. Een nadeel van de scaffold-procedure is dat er 2 stappen moeten worden doorlopen, waarbij het in de eerste stap erg moeilijk is een steriele scaffold te maken.

Het is belangrijk te beseffen dat tissue engineering en 3D-bioprinten hand in hand gaan en dat 3D-bioprinten in essentie een hulpmiddel voor tissue engineering is. Voorlopig zal bioprinten nog niet worden geïmplementeerd in de kliniek, mede omdat er nog veel onderzoek nodig is naar de verschillende aspecten van het printen. Het printen van een scaffold en deze vervolgens bezaaien met cellen zal hoogstwaarschijnlijk eerder zijn weg naar de kliniek vinden dan bioprinten.

Hoe ver is de techniek ontwikkeld?

De juiste combinatie van cellen en biomaterialen zijn cruciaal voor tissue engineering. Daarnaast vormt het ontwerpen van de optimale kraakbeenvorm een belangrijke uitdaging. Hoewel de kwaliteit van kraakbeen dat verkregen is door tissue engineering momenteel nog verre van optimaal is, zijn ontwikkelingen in de beeldvormende technieken en 3D-bioprinten al zo ver dat persoonlijke structuren geprint kunnen worden.

Patiënten die in aanmerking komen voor een reconstructie van het oor zouden kunnen profiteren van deze techniek, aangezien de bouwtekening van het oor gespiegeld kan worden door digitale bewerking. Dit houdt in dat bij eenzijdige verbranding van het oor een 3D-foto van het contralaterale oor gespiegeld kan worden om zo een betere replica te krijgen voor reconstructie. Om een zo goed mogelijk gespiegeld oor te krijgen, moet echter de kraakbeenvorm juist niet exact gespiegeld worden. Er dient namelijk rekening gehouden te worden met de wekedelenbedekking, die altijd dikker is dan aan de gezonde zijde. Bovendien moet rekening worden gehouden met de stevigheid van het kraakbeenskelet. Om te zorgen dat het oor aan de buitenzijde de goede vorm heeft, zal de wekedelenbedekking daarom aan de achterzijde wat dikker moeten zijn dan bij het normale oor.

Naast spiegeling van een 3D-beeld is het ook mogelijk om een op maat gemaakte kraakbeenstructuur te creëren en uit te printen naar de wens van de patiënt en behandelaar (figuur 3). Dit kan met behulp van parametrische oormodellen.4

Het streefbeeld voor de toekomst

Voor klinische productie van een kraakbeenimplantaat kan 3D-bioprinten een fraaie toepassing zijn. Wanneer een patiënt na ernstige verbranding van het oor (figuur 4) de wens heeft tot reconstructie, kan – indien de lokale situatie het toelaat – met medische beeldvorming en 3D-bioprinten een implantaat geproduceerd worden. Dit implantaat is gebaseerd op een aangepast spiegelbeeld van het contralaterale oor, of op een standaard parametrisch model dat vervolgens gepersonaliseerd kan worden.

Gebaseerd op de medische beelden of het parametrisch model kan een 3D-scaffold geproduceerd worden van biodegradeerbaar materiaal in de vorm van het te reconstrueren oor. In deze structuur kunnen vervolgens de autologe kraakbeencellen samen met vetstamcellen op de scaffold gezaaid worden en vervolgens geïmplanteerd worden in de patiënt. Omdat er bij brandwondpatiënten een tekort is aan huid, kan het implantaat tijdelijk ondergebracht worden op een andere plaats, zoals onder de buikhuid. Hiermee rijpt het implantaat uit en ontstaat er een relatief overschot aan huid, waarmee vervolgens de reconstructie plaats kan vinden. Wanneer het kraakbeen rijp is voor transplantatie naar het gelaat en de wond rustig is (zie figuur 1), kan het kraakbeenimplantaat met huid geïmplanteerd worden. In plaats daarvan kan het kraakbeen ook direct geïmplanteerd worden, maar dan dient er vitale huid van elders geoogst te worden.

Wanneer is toepassing te verwachten?

Het is belangrijk om te beseffen dat 3D-bioprinten een hulpmiddel is voor reconstructie en niet het ultieme panacee dat al onze weefseldefecten zal oplossen. Er zal nog veel onderzoek gedaan moeten worden naar tissue engineering en 3D-bioprinten voordat deze technieken daadwerkelijk toegepast kunnen worden in de kliniek. Daarnaast dient er een oplossing gevonden te worden voor het bedekken van het implantaat met vitale huid, wat bij brandwondpatiënten problematisch is. Hoewel er al preklinische studies van start zijn gegaan, zal de toepassing nog een aantal jaar op zich laten wachten. Wij verwachten dat in 2020 3D-bioprinten toegepast kan worden in de kliniek voor het reconstrueren van aangezichtsverbrandingen.