Er komen geen medicijnen of andere chemische middelen aan te pas, enkel de vorm van een materiaal stimuleert de groei van nieuwe cellen. Dit bijzondere onderzoek van de TU Delft is een belangrijke stap voor het herstel van beschadigd weefsel en organen.
De vorm van de materialen wordt bepaald door de kromming ervan. Ze kunnen bijvoorbeeld de vorm aannemen van een bal, dus met een bolle bovenkant, een zadel met een kuil in het midden of een platte plaat.
Dat klinkt ingewikkelder dan het is: levende cellen passen zich simpelweg aan hun omgeving aan. “Cellen voelen en reageren op de geometrie van de oppervlakken waaraan ze worden blootgesteld. Afhankelijk van hun kromming kunnen oppervlakken cellen aanmoedigen om nieuw weefsel aan te maken of hen ervan weerhouden dat te doen,’ zegt Amir Zadpoor, hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica, aan de TU Delft. “Stimulerende krommingen, die gemaakt zijn door een 3D-printer, zijn een gemakkelijke en veilige manier om weefselgroei te bevorderen. Vergeleken met bijvoorbeeld medicijnen zijn ze ook veel goedkoper.”
Cellen houden van zadels
Hoe dat onderzoek er in de praktijk uitziet? De onderzoekers lieten botcellen groeien in petrischaaltjes. Deze cellen werden omgeven door kleine vormpjes van bijvoorbeeld een zadel of een bol. De kromming van deze vormpjes, die gemaakt zijn van biomaterialen waar de onderzoekers al ervaring mee hebben, bepaalt op welke manier de cellen groeien en weefsel vormen. Hoogleraar Zadpoor legt in gesprek met Scientias.nl uit: “Cellen hebben een voorkeur voor bepaalde oppervlakken. Ze zullen op sommige blijven zitten en op andere niet. De geometrieën hebben dus effect op het gedrag van cellen.”
Je denkt misschien dat de krommingen allerlei vormen aan kunnen nemen, maar het zijn eigenlijk altijd dezelfde drie: bol, hol of plat. Cellen hebben echter wel een duidelijke favoriet. Zadpoor vertelt: “Cellen houden niet van koppen maar geven de voorkeur aan dalen of valleien. Als ze een zadelvorm in de buurt waarnemen, wordt de groei gestimuleerd. Een zadelvorm heeft als voordeel dat die zowel een positieve als een negatieve kromming heeft en dat is aantrekkelijk voor cellen.”
Liever niet buigen
Maar er is nog iets anders dat een belangrijke rol speelt: de spanning die de geometrische vorm veroorzaakt. Onderzoeker Sebastien Callens vertelt in het persbericht: “Cellen hebben ook een skelet, dat bestaat uit vezels die meer of minder op spanning staan. Hoe de spanning zich opbouwt in die vezels, beïnvloedt het gedrag van cellen sterk. Uit onze studie blijkt dat cellen hun spanningsvezels collectief afstemmen op de krommingen die ze ervaren, zodat ze zo min mogelijk hoeven te buigen. Ik kon zien dat cellen liever languit uitlijnen dan buigen.”
Hoogleraar Zadpoor vult aan: “Verschillende mechanische spanningen kunnen anders zijn wanneer een cel zich op een zadelvormige of andere kromming bevindt. Dat heeft te maken met hoe de cellen groeien. Sommige krommingen minimaliseren de spanning, andere zorgen juist voor meer spanning.” Maar, benadrukt de onderzoeker, het gaat niet altijd om de mate van de spanning. “Sommige geometrische vormen zorgen voor compressie, andere voor trekking, buiging of iets anders. De soort spanning kan belangrijker zijn dan de mate. De meeste cellen oriënteren zich zo dat de buiging geminimaliseerd kan worden. Cellen houden niet van buiging dus proberen we zo min mogelijk buiging te creëren.”
Krommingen zijn net driehoeken
Tenslotte is er nog een derde aspect waar de onderzoekers rekening mee moesten houden: krommingen zijn net driehoeken. “Je hebt altijd een beperkt budget aan zadelvormen”, legt Zadpoor uit. “Elke kromming is positief, negatief of nul. De totale som van alle krommingen moet echter altijd constant zijn. Dat is vergelijkbaar met een driehoek: het totaal moet 180 graden zijn dus als de ene hoek een beetje groter is moet de andere een beetje kleiner worden. Dat geldt ook voor de kromming in een oppervlak. Als die aan de ene kant positief is, moet hij aan de andere kant aangepast worden.”
We hebben het hier overigens wel over piepkleine vormpjes met piepkleine kromminkjes. “De geometrische vormen worden met een 3D-printer gemaakt en zijn heel klein”, legt Zadpoor uit. “Per zadelvorm past er meer dan één cel op, maar niet heel veel meer. De vormen zijn een fractie van een millimeter, een paar tienden ongeveer.”
Spelregels van celgroei
Met de vormen kan botgroei, maar ook de groei van andere cellen gestimuleerd worden. De Delftse onderzoekers hebben ontdekt aan welke spelregels de vormpjes moeten voldoen om tot maximale celgroei te komen. “Ons doel was om de spelregels te ontdekken voor de geometrische vormen. Die gebruiken we om biomaterialen te maken. Daarmee kunnen we weefsel genereren. Wat voor geometrie werkt dan het beste? We hebben verschillende geometrische vormen getest. Uiteindelijk kunnen die helpen om botweefsel te laten groeien, maar ook andere typen cellen”, aldus Zadpoor.
Zadpoor en zijn collega’s waren zelf ook verrast door hun bevindingen. “Het meest opmerkelijke vonden wij hoe groot de invloed van geometrie is. Mensen denken altijd dat genen en biologie belangrijk zijn om het gedrag van cellen te beïnvloeden. Dat is ook zo. Maar nu blijkt geometrie een vergelijkbare rol te spelen. Dat hadden we niet verwacht.”
Gratis en veilig
En de voordelen zijn groot. Geometrie is heel veilig en kan geen toxische reacties veroorzaken. Dat kan met medicijnen wel. Zo zijn er nu middelen commercieel beschikbaar die botgroei heel krachtig stimuleren. “Maar die zijn heel duur en niet altijd veilig. Als je een grote dosering gebruikt dan kunnen ze toxisch zijn. Dat kan met geometrie niet. Het is veilig en meestal gratis”, verklaart de hoogleraar.
Dat komt grotendeels door de 3D-printer. Die kan moeiteloos een groot aantal implantaten produceren. “Je hoeft dan alleen een nieuw ontwerp te maken. Het hele proces blijft hetzelfde. Het maakt niet uit welke geometrie je gebruikt, alleen het ontwerp verandert. Zo kun je het gemakkelijk integreren in de ontwikkeling van medische hulpmiddelen.”
Bijkomend voordeel is dat je niet zoals met medicijnen een heel certificatietraject door moet. “Geometrie is geen geneesmiddel dus dat gaat veel sneller en eenvoudiger”, aldus Zadpoor nog. In vervolgonderzoek gaan de Delftse wetenschappers leren om de spelregels van deze briljante geometrische vormen zo goed mogelijk toe te passen, zodat ze uiteindelijk kunnen worden ingezet voor de stimulatie van celgroei.
