Innovations in Artificial Organs

Kunstorganen worden vaak beschreven als de Heilige Graal van de bio-engineering-een belangrijk onderzoeksgebied dat ligt op het kruispunt van geneeskunde, biowetenschappen en engineering. Het belang van en de dringende behoefte aan kunstmatige organen zijn al lang bekend: medische teksten van verschillende eeuwen oud bevatten ideeën die het ontwerp ervan beschrijven, hoe fantasierijk en onpraktisch deze ook mogen zijn geweest. De eerste echte doorbraak in het ontwerpen van kunstorganen kwam in 1982 met Jarvik-7, het eerste volledig functionerende kunsthart dat met succes bij een mens werd geïmplanteerd. Het ontwerp van Jarvik-7 is toe te schrijven aan de medisch onderzoeker Robert Jarvik en de uitvinder Willem Kolff. Kolff heeft nog verscheidene andere innovaties op zijn naam staan, waaronder de eerste kunstnier (dialyseapparaat) en de hart-longmachine, en hij staat bekend als een fervent voorstander van bloedtransfusieprocedures – dit alles weerspiegelt zijn enthousiasme en geloof in het helpen van het menselijk lichaam om te blijven functioneren, zelfs nadat de organen zijn gestopt. Voor deze vernieuwingen en ideologieën wordt hij beschouwd als de vader van de kunstmatige organen.

Heden ten dage, ondanks opmerkelijke vooruitgang in transplantatie, is het belang van kunstmatige organen niet verminderd. De lange wachtlijst en de wachttijd maken doeltreffende en onmiddellijke alternatieven voor orgaantransplantatie noodzakelijk. Het United Network for Organ Sharing, een in de VS gevestigde non-profitorganisatie die het orgaandonatienetwerk beheert, schat dat meer dan 120.000 Amerikanen – van wie meer dan 100.000 een nier nodig hebben – op de wachtlijst staan voor levensreddende organen. De gemiddelde toekomstige nierontvanger moet 3,6 jaar wachten, en elke dag sterven minstens 20 mensen die op een orgaan wachten.

Kunstorganen zouden transplantatietekorten kunnen oplossen

De gedachte aan een kant-en-klaar hart dat een defect hart kan vervangen, is verleidelijk, en een paar bedrijven zijn daar al in geslaagd. Een van hen is BiVACOR uit Houston, Texas. Het gelijknamige TAH-apparaat (total artificial heart) van BiVACOR is een optie voor patiënten met eindstadium hartfalen die niet in aanmerking komen voor transplantatie. Een ander belangrijk bedrijf, SynCardia Systems (Tucson, Ariz.), heeft een tijdelijk TAH-apparaat ontwikkeld – een implanteerbaar systeem dat de hartfuncties kan overnemen – voor patiënten die lijden aan biventriculair hartfalen in het eindstadium. Het apparaat is alleen bedoeld als overbrugging naar een donorharttransplantatie en is het enige dat is goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration en de regelgevende instanties van de Europese Unie en Canada.

Met de komst van 3D-printen en weefselmanipulatie kan men verder denken dan elektromechanische pompen die als hart kunnen dienen om een kunstmatig hart van, heel letterlijk, vlees en bloed te visualiseren. De race is begonnen om een functioneel, op weefsel gebaseerd kunstorgaan te ontwikkelen dat organen zou nabootsen in fysieke en fysiologische functies, zoals het afscheiden van hormonen, het voeden van vasculatuur, en groei en modellering naarmate het individu groeit.

Stephen Badylak, professor en adjunct-directeur van het McGowan Institute for Regenerative Medicine aan de Universiteit van Pittsburgh, werkt aan een functionele lever die geschikt is voor transplantatie. Badylak’s benadering bestaat uit het oogsten van stamcellen van een patiënt en het kweken daarvan in speciaal ontworpen 3-D steigers. De hoop is dat deze cellen zich zullen ontwikkelen tot een functioneel orgaan wanneer ze worden voorzien van de juiste groeivoedingsstoffen. Omdat de cellen van de patiënten zelf afkomstig zijn, worden de problemen van orgaanafstoting en immuunreacties omzeild.

Kunstmatige organen voor medisch onderzoek

Hoewel de vertraging bij het produceren van een volledig functioneel, aan de afmetingen aangepast orgaan de markt voor orgaantransplantaties zal teleurstellen, is het toch juichenswaardig nieuws. In feite wacht de hele farmaceutische industrie met ingehouden adem op weefsels die lijken op echt menselijk weefsel. Dergelijke analogen zijn van groot belang voor het testen van geneesmiddelen.

Organovo uit San Diego heeft een voortrekkersrol gespeeld bij het op de markt brengen van 3D-bioprinten van weefsels voor medisch onderzoek. Het bedrijf heeft met succes patches van weefsels van de lever, longen, hart en nieren geprint voor gebruik door onderzoekspartners. De ExVive-lijn van menselijke lever- en nierweefsels van het bedrijf wordt gebruikt in toxicologiestudies en andere preklinische geneesmiddelenonderzoeken. Deze toepassing van kunstorganen biedt enorme mogelijkheden om het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen te versnellen, de kosten te verlagen en de behoefte aan dierproeven en klinische tests te verminderen. L’Oreal, het wereldwijde cosmeticabedrijf, betrekt zelfs 3D-geprint menselijk huidweefsel van Organovo met het oog op het terugdringen van de zo verfoeide dierproeven. L’Oreal bezit reeds een octrooi op Episkin, een weefselmanipulatieproduct dat is ontwikkeld door de incubatie van huidcellen die door operatiepatiënten zijn gedoneerd. De samenwerking met Organovo zou L’Oreal in staat stellen om ze gemakkelijker af te drukken, en aan eisen te voldoen.

Elektronische huid kan robots een “menselijke” aanraking geven

De huid is het grootste orgaan van het menselijk lichaam, en een zeer complex orgaan. Het nabouwen van de huid houdt in dat de sensaties van aanraking, druk en temperatuur aan het kunstmatige materiaal worden gegeven. Een dergelijke kunsthuid zou ongetwijfeld van grote waarde zijn voor brandwondenslachtoffers en patiënten die een zware operatie ondergaan. Maar een toepassing die nu de brandstof is voor science-fiction films zou binnenkort werkelijkheid kunnen worden: robots voorzien van zintuiglijke input.

SmartCore, een project gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad en uitgevoerd door onderzoekers van de Graz University of Technology in Oostenrijk heeft als doel een materiaal te maken dat zou reageren op uiteenlopende stimuli. Om dit te bereiken, heeft het team een nieuw materiaal ontwikkeld dat is bekleed met een array van nanosensoren waarvan de gevoeligheid die van de menselijke huid ver overtreft. Hoewel nog in een vroeg stadium, ontwerpt het team een “slimme” kern – een polymeer dat zou uitzetten wanneer het wordt blootgesteld aan vochtigheid en temperatuur en is omhuld door een piëzo-elektrisch omhulsel dat een elektrische stroom opwekt wanneer druk wordt uitgeoefend. Deze kernen ontvangen de stimuli en sturen ze door naar het robotsysteem. Het team streeft ernaar het prototype tegen 2019 te tonen, waarna specifieke toepassingen zouden worden verkend.

Artificial Womb Raises Hope for Premature Babies

In april 2017 kondigden onderzoekers van het Center for Fetal Diagnosis and Treatment van het Children’s Hospital of Philadelphia aan – en publiceerden – dat ze ’s werelds eerste kunstmatige baarmoeder hadden ontwikkeld. Deze “baarmoeders”, bijgenaamd BioBag, lijken op Ziploc-zakjes met buisjes met vruchtwater, zuurstof, voedingsstoffen en bloed die in en uit elkaar weven. Binnenin de zakken slaagden de onderzoekers er echter in om foetale lammeren te voeden.

In augustus 2017 werd een soortgelijke baarmoeder bedacht door een niet-verwante groep: onderzoekers van Women and Infants Research Foundation in Australië, de Universiteit van West-Australië, en Tohoku University Hospital in Japan. Treffend ex-vivo baarmoederomgeving (EVE) therapie genoemd, heeft het de verwachtingen gewekt van een levensvatbare en herhaalbare baarmoederachtige omgeving.

The Road Ahead

Frost & Sullivan is van mening dat de weg voor kunstmatige organen wordt geplaveid door enthousiaste onderzoekers, financieringsinstanties en een samenwerkend ecosysteem. Er zijn echter ook wegversperringen in de vorm van ethische bezwaren, regelgevingsvereisten, apparaatkosten en veiligheidsproblemen door een gebrek aan klinische langetermijngegevens. Het antwoord zou omwegen zijn die toch tot lucratieve bestemmingen kunnen leiden. Het gebruik van kunstmatige huidweefsels voor medisch en cosmetisch onderzoek is een voorbeeld. Evenzo zou een kunstmatige baarmoeder om een menselijk embryo te baren een zware taak zijn, die talrijke ethische, morele en juridische vragen zou oproepen; voorlopig zou het echter een aanvaardbare route zijn om de baarmoeder te gebruiken om de levens te redden en de gezondheid te verbeteren van de miljoenen premature baby’s die elk jaar worden geboren.