Een op maat gemaakt accessoire, een jurk en wellicht in de toekomst een orgaan, tegenwoordig kun je er bijna niet meer omheen: 3D-printen, het laagje voor laagje fabriceren van een voorwerp op een nauwkeurige en geautomatiseerde manier − allemaal op basis van een digitale bouwtekening van het te fabriceren object. In de afgelopen jaren heeft de 3D-printtechnologie toepassingen gevonden binnen allerlei domeinen, waarvan één de biomedische wetenschappen. Niet heel verschillend van het printen van alledaagse voorwerpen zoals een telefoonhoesje of een sieraad, wordt er tegenwoordig al het een en ander geprint voor gebruik in de operatiekamer. Hulpstukken om te gebruiken tijdens de operatie, maar ook patiënt-specifieke oefenmodellen waarmee de arts zich beter kan voorbereiden op een geplande operatie en studenten kunnen leren, zijn mogelijk. Het verhaal wordt een stuk complexer wanneer we het hebben over bioprinten; de fabricatie van biologisch functionele constructen met behulp van 3D-printers. In deze editie van Blind richten wij ons op toepassingen van het bioprinten, de huidige ontwikkelingen in het veld en de daarbij behorende uitdagingen.

Van idee naar 3D-geprint construct

Hoewel er tegenwoordig allerlei verschillende 3D-printers op de markt zijn, blijven de processen die ten grondslag liggen aan het printen van een 3D-construct over het algemeen gelijk. Het begint allemaal met het ontwerpen van het computermodel dat het te printen object representeert. Zo’n model kan worden gemaakt op basis van een medische scan van de patiënt, bijvoorbeeld een MRI. Naast zo’n computermodel op basis van medische scans, kunnen er ook geheel nieuwe computermodellen worden ontwikkeld, uiteraard met de uiteindelijke applicatie in het achterhoofd. Nadat een idee is uitgewerkt en het bijbehorende computermodel is gemaakt, wordt de informatie die zich in dit model bevindt ‘gelezen’ door de printer. Vervolgens wordt er met een zogenoemde bio-inkt een print gemaakt. Een bio-inkt is gemaakt van een zorgvuldig uitgekozen (vaak) biologisch afbreekbaar materiaal dat idealiter in staat is biologische componenten zoals cellen en groeifactoren te kunnen huizen zonder deze te beschadigen en dat tevens stevig genoeg is om een 3D-construct te kunnen bouwen. Met het computermodel, de bio-inkt en de printer gereed, kan het printen in principe beginnen.

Applicaties en huidige ontwikkelingen

Bioprinten kan worden gezien als een belangrijk middel in huidig en toekomstig onderzoek. Wellicht de meest besproken en bediscussieerde applicatie is het printen van functionerende weefsels en organen die, indien geschikt voor transplantatie, een oplossing kunnen bieden voor het donortekort. Bovendien, als de constructen van patiënt-eigen cellen worden gemaakt, wordt de kans dat zulke constructen worden afgestoten minimaal. Een andere veelbesproken applicatie is gerelateerd aan toxicologisch onderzoek, met name bij de ontwikkeling van geneesmiddelen. Het huidige testen van de veiligheid van medicatie gaat voor een groot deel gepaard met dierproeven. Naast de ethische kwesties rondom het testen van medicatie op dieren, maken de inherente verschillen tussen proefdier en mens het lastig om goed te kunnen voorspellen in hoeverre een potentieel geneesmiddel ook daadwerkelijk effectief zal zijn. Met behulp van 3D-geprinte constructen, die menselijke weefsels dichter moeten benaderen, kan dit type onderzoek op een meer relevante en gerichtere manier worden verricht. Het gebruik van zulke weefselconstructen biedt niet alleen een alternatief voor dierproeven, maar kan ook de kosten van het onderzoek op de lange termijn verminderen.

Ondanks dat dit allemaal veelbelovend klinkt, staat dit type onderzoek nog in de kinderschoenen. Op dit moment is het niet mogelijk om complete functionele organen te reconstrueren. Een orgaan is een complex geheel dat niet alleen bestaat uit meerdere typen cellen, maar ook communiceert met de omgeving, bijvoorbeeld middels de bloed- en lymfevaten. Bovendien kan een orgaan meer dan één functie vervullen. Vandaar dat momenteel meer succes geboekt wordt met het bioprinten van relatief simpele orgaanstructuren. Dunnere weefsels zoals de huid bijvoorbeeld, en weefsels die minder gevoelig zijn voor het zuurstof- en voedingsstoffengehalte, zoals kraakbeen. Maar zelfs deze relatief simpele weefsels brengen uitdagingen met zich mee, zoals voor de huid, die bestaat uit meerdere lagen met verschillende celtypen. Bovendien, hoe dichter het eindconstruct de ‘echte’ huid moet benaderen, hoe complexer het wordt. Denk bijvoorbeeld aan haarfollikels en zweetklieren. Tevens moet de vervangende geprinte huid het lichaam kunnen beschermen tegen invloeden van buitenaf, zoals warmte, kou, bacteriën en virussen; een enorme uitdaging om te reconstrueren.

Maar wat als?

Wat als we in de toekomst daadwerkelijk in staat zijn om biologisch functionele constructen te printen? Het zal niet als een verrassing komen, maar de opkomst van het 3D-printen binnen de biomedische wereld brengt veel ethische vragen met zich mee. Eén van de factoren die het bioprinten uniek en mede daardoor extra complex maakt, is de mogelijkheid tot gepersonaliseerde zorg op basis van constructen die levende cellen bevatten. Hoe worden zulke constructen gemaakt? Waar worden de bouwstenen, bijvoorbeeld cellen, vandaan gehaald? Als zulke constructen dan op een ethisch verantwoorde manier kunnen worden geproduceerd, hoe worden ze dan vervolgens getest op veiligheid en functie, zowel op de korte als op de lange termijn? Hoe ga je om met het gepersonaliseerde karakter? En natuurlijk, de andere veel gestelde vraag: wat als het niet meer gaat om het herstellen van schade aan het lichaam, maar om mensverbetering; aanpassingen die medisch gezien niet noodzakelijk zijn? Wanneer gaan we te ver? Wat is te ver? Hoe wordt deze grens bepaald? En bij wie ligt de verantwoordelijkheid dan? De mogelijkheden die 3D-printtechnologie biedt geven aanleiding tot allerlei vragen, waarop momenteel nog veel antwoorden ontbreken. Het is belangrijk dat medici en fabrikanten over zulke kwesties nadenken en discussiëren en rekening houden met het effect van de technologie en de bijbehorende vraagstukken op mens en maatschappij.

Conclusie

Hoewel de ontwikkelingen in het veld rap gaan, zijn we er nog niet. Als we alles dat komt kijken bij het 3D-printen van biologisch functionele constructen onder de loep nemen, wordt al snel duidelijk dat het gaat om een groep van verschillende disciplines. Het gaat niet alleen om de printers, maar ook om de ontwikkeling van nieuwe (bio)materialen, het kweken van de juiste cellen en vervolgens de integratie van die verschillende domeinen en het bestuderen van een geprint levend 3D-construct. Juist omdat we te maken hebben met zo’n interdisciplinair onderzoeksveld is het belangrijk om stil te staan bij het feit dat ontwikkelingen in gerelateerde vakgebieden, bijvoorbeeld de robotica, scheikunde, microscopie en celbiologie, essentieel zijn om vooruitgang te boeken. Bovendien is het van belang dat er tijdig wordt nagedacht over andere relevante kwesties, bijvoorbeeld de ethische vraagstukken die komen kijken bij een technologie zoals het bioprinten. Hoewel een volledig functioneel orgaan nog echt iets van de toekomst is, zullen de ontwikkelingen in dit veld de medische behandelingen van morgen zeker beïnvloeden.