Nieuwe botten maken en implanteren

Er zijn talloze redenen waarom mensen botweefsel tekort komen, bijvoorbeeld door ziekten of ongelukken, maar ook omdat ze tijdens een ruimtereis hun botten onvoldoende belast hebben. Als je weefsel, of het nu botten of spieren zijn, onvoldoende gebruikt, wordt het namelijk afgebroken. In het geval van astronauten is training bij terugkeer op aarde de aangewezen weg om weer aan te sterken, maar anders zijn medische ingrepen nodig. Een van de nieuwste mogelijkheden op dat vlak is het regenereren van botweefsel, een kunst die nog in de kinderschoenen staat.

Het zwaartepunt Bioengineering onderzoekt die mogelijkheden, voor bot- en tandweefsel. Dit vergt een interdisciplinaire benadering waarin biologen, clinici, ingenieurs en biochemici samenwerken. Kennis op verschillende niveaus is nodig, van de individuele bot- en tandcellen tot het bot en de tand zelf, en de manieren waarop die belast worden. In vaktermen: van celbiologie tot biomechanica. Juist het combineren van die verschillende niveaus geeft het zwaartepunt een unieke positie.

Op het niveau van de celbiologie werken de onderzoekers binnen het zwaartepunt onder andere samen met het instituut FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) om de precieze werking van verschillende celtypen in het bot te bepalen. Zo is pas sinds kort bekend dat er gespecialiseerde cellen zijn die ‘meten’ of het bot belast wordt en die in reactie daarop andere cellen ertoe aanzetten bot aan te maken dan wel af te breken. Kennis over de eigenschappen van verschillende soorten cellen is essentieel om bot na te kunnen maken. Ook wordt veel studie gedaan aan stamcellen, die kunnen uitgroeien tot botcellen, mits je ze op de juiste manier prikkelt.

Kweekschaaltje

Op het biomechanische niveau gaat het bijvoorbeeld om experimenten die belastingseffecten op cel- en weefselniveau meten. Voor dat laatste bestaat er toegang tot faciliteiten uit de ruimtevaart: een metersgrote centrifuge om grote belastingen te genereren, en het internationale ruimtestation ISS om juist de gevolgen van gewichtloosheid na te gaan. Uiteraard is bij dergelijke faciliteiten ook mogelijk de effecten op individuele cellen – in een kweekschaaltje – vast te stellen.

Een ander belangrijk onderzoeksveld is de zoektocht naar materialen die kunnen dienen als kunstmatig bot, waarop uitgezaaide stamcellen kunnen hechten. In het ideale geval lost een stukje kunstmatig bot in de loop der tijd helemaal op, om vervangen te worden door natuurlijk bot. Of dat lukt, hangt af van talloze factoren, niet alleen van de gebruikte materialen, maar ook de gezondheid van degene die het geïmplanteerd krijgt.

Dat implanteren zelf is natuurlijk ook geen sinecure. Het zwaartepunt werkt intensief samen met het VU Medisch Centrum om onder meer klinische tests te doen. Uiteindelijk gaat het er immers om dat de patiënt weer zijn botten en tanden kan belasten als voorheen.

Een snelle kaakoperatie

Na jaren van onderzoek vinden dezer dagen voor het eerst ingrepen plaats waarbij een patiënt in één operatie stamcellen afstaat, die tijdens dezelfde operatie weer terug worden geïmplanteerd op de plek waar nieuw bot moet worden gemaakt. Het gebruik van de stamcellen moet leiden tot een versnelde botregeneratie. Nu gaat het nog om kaakbot, maar in de toekomst kunnen hopelijk ook andere operaties plaatsvinden volgens dezelfde procedure, bijvoorbeeld aan de wervelkolom en de heup.

Het begint met het afnemen van vetweefsel van de patiënt. In dat weefsel bevinden zich veel stamcellen, die zich nog tot allerlei andere soorten cellen kunnen ontwikkelen. Terwijl de chirurg begint aan het opereren van de kaak, worden de stamcellen uit het vetweefsel gehaald. Dat gebeurt met een centrifuge. De stamcellen zijn namelijk zwaarder dan vetcellen, zodat ze zich tijdens het centrifugeren naar de bodem van de reageerbuis bewegen, terwijl de vetcellen blijven drijven.

Vervolgens worden de stamcellen aangebracht op een kunstmatig, botachtig materiaal en biochemisch gestimuleerd om zich tot botcellen te ontwikkelen. Dit dient allemaal binnen een kwartier te gebeuren, want daarna moet het kunstbotmateriaal met stamcellen op zijn plek in de kaak vastgemaakt worden.

Voordat chirurgen deze operatie aandurfden, zijn uiteraard talloze proeven verricht. Ten eerste moest vaststaan dat de stamcellen zich niet alleen in de kweekschaal tot botcellen ontwikkelen, maar zich eenmaal in het lichaam ook als zodanig gedragen. Uiteindelijk moet het kunstmatige botmateriaal helemaal vergroeien met het echte bot. Wat zeker niet mag is dat de gekweekte botcellen zich tot andere celtypen ontwikkelen (en al helemaal niet tot kankercellen). Alle proeven verliepen positief, zodat het Amsterdamse zwaartepunt een wereldprimeur heeft met een nieuwe behandeling van botproblemen.

×