Mini-levers als hoop bij leverfalen

Tegen de tijd dat je dit artikel hebt gelezen, is er ergens in de wereld minstens één levertransplantatie gestart. Veel toch? Het is nog niet genoeg! Leverchirurgen voeren jaarlijks wereldwijd zo’n 35.000 levertransplantaties uit en nog steeds duurt het gemiddeld twaalf maanden vooraleer een patiënt een nieuwe lever krijgt. In het geval van leverfalen, kunnen patiënten vaak niet zo lang wachten. 1 op de 5  mensen die op een wachtlijst staat voor een nieuwe lever overlijdt. Leverfalen is zo verantwoordelijk voor 2 miljoen doden per jaar.

Op maat van de patiënt

Tijdens mijn onderzoek ontwikkel ik patiënt-specifiek leverweefsel in het laboratorium. Dit kan ik doen door stamcellen uit een patiënt te halen en in een draagstructuur te laten groeien.

In een geschikt materiaal zullen stamcellen zeer snel groeien van enkele honderden tot enkele tienduizenden cellen op een paar dagen tijd. Als je deze stamcellen laat groeien in een omgeving die voldoende lijkt op de omgeving van de lever in het lichaam, kan je deze stamcellen omzetten in mini-levertjes die bestaan uit functionele levercellen. Hier bootsen we dus hetzelfde proces na dat in het lichaam stamcellen omzet naar gespecialiseerde cellen die de verschillende organen vormen tijdens de ontwikkeling van een embryo. In mijn onderzoek is dat dus de lever. Datzelfde proces is bijvoorbeeld ook belangrijk om leverschade te herstellen. Zolang er nog dertig procent van de levercapaciteit overblijft, kan deze zich op enkele weken tijd volledig herstellen door stamcellen om te zetten in nieuwe levercellen.

De mini-levertjes die ik in het lab kweek, kunnen vervolgens onder andere worden gebruikt om beschadigde levercellen te vervangen door gezonde levercellen en kunnen zo een alternatief bieden voor donorlevers.

Mijn uitdaging was om een draagstructuur te ontwikkelen die zeer sterk gelijkend is aan leverweefsel, aangezien de cellen in de lever enkel goed functioneren doordat ze zich thuis voelen in het materiaal van hun draagstructuur. Als we deze draagstructuur kunnen nabootsen, dan denken deze cellen dat ze zich in het lichaam bevinden en kunnen ze zo optimaal functioneren als levercellen. De cellen zullen dan met elkaar en hun omgeving communiceren, waardoor ze zich gaan organiseren in bolvormige structuren. Hierbij ontstaan orgaanachtige structuren, die men kan beschouwen als ‘mini-levertjes’.

De mini-levertjes bekeken onder de microscoop.

De mini-levertjes bekeken onder de microscoop.

Tijdens mijn onderzoek heb ik leverweefsel onderzocht om te achterhalen aan welke eigenschappen een ideale draagstructuur voor deze mini-levers moet voldoen. Deze is namelijk zeer belangrijk voor het gedrag van de orgaantjes. Is het materiaal te stijf, dan zullen deze mini-levers slecht functioneren. Bevat dit materiaal componenten die zich ook in de natuurlijke lever bevinden, dan zullen deze mini-levers goed en gezond groeien. Hoe beter we natuurlijk leverweefsel kunnen nabootsen, hoe meer de mini-levertjes zich thuis voelen in het materiaal.

.

Een kleuring toont de eiwitten die de mini-lever produceert en cruciaal zijn voor een goede leverfunctie.

De stijfheid is een eerste belangrijke factor, aangezien de lever bij de meeste leverziekten stijver wordt, waardoor de levercellen minder efficiënt werken. Door middel van atomaire krachtmicroscopie heb ik de stijfheid van leverweefsel bepaald tot op het niveau van de cellen zelf.

De lever ontrafeld

Vervolgens heb ik de vochtopname van leverweefsel geanalyseerd via zwellingsexperimenten in een vloeistof die lichaamsvocht nabootst. Een waterige omgeving is zeer belangrijk voor cellen om te kunnen overleven. Om die reden bestaat ons lichaam voor 50 – 60 % uit water.

Op chemisch vlak ten slotte is de lever voornamelijk opgebouwd uit eiwitten en suikermoleculen. Gezien de verscheidenheid aan componenten is het onbegonnen werk om deze samenstelling exact na te bootsen. Daarom heb ik een selectie van componenten gemaakt, die zowel structuur als functionaliteit aan het materiaal biedt.

Suiker en gelatine

Het eiwit gelatine heb ik gekozen omdat dit zeer sterk lijkt op collageen, het meest voorkomende eiwit in leverweefsel. Als de suiker heb ik gekozen voor ‘chondroïtine sulfaat’. Die suiker is veel voorkomend in leverweefsel, maar ook bijvoorbeeld in gewrichten. Men gebruikt die wel eens als voedingssupplement tegen gewrichtspijn. Die suiker bevat bepaalde chemische structuren die stamcellen herkennen en hen helpt om te zetten naar functionele levercellen.

Wanneer je gelatine en chondroïtine sulfaat chemisch aan elkaar verankert, bekom je een ondersteunend netwerk voor de cellen met een vaste en gecontroleerde vorm die niet meer oplost in water, maar heel wat water kan vasthouden. Dit voorziet de noodzakelijke waterige omgeving.

Naast het selecteren van gelatine en chondroïtine sulfaat optimaliseerde ik de manier waarop ik deze precies moest verankeren om de juiste stijfheid en vochtopname te bekomen. Zo bekwam ik een materiaal met dezelfde eigenschappen als leverweefsel in het lichaam en dat dus optimaal is voor het kweken van gezonde mini-levertjes.

Thinking small

Een grote uitdaging momenteel is de structuur van de lever. De zeer kleine en gedetailleerde structuren van enkele micrometers groot, zoals de fijnste bloedvaten die doorheen de lever lopen en nodig zijn om de nodige voedingsstoffen tot bij elke cel te krijgen zijn nog moeilijk na te bootsen. Momenteel voer ik onderzoek naar de mogelijkheden om zeer kleine kanaaltjes te integreren in de draagstructuur van deze mini-levertjes. De combinatie van verschillende 3D-printing technieken en de materialen die ik ontwikkeld heb laten het reeds toe om zeer nauwkeurig gewenste vormen te printen. Dat is dan ook waar ik mij in het vervolg van dit onderzoek op zal focussen.

Hopelijk kunnen we er zo voor zorgen dat wanneer u dit artikel een volgende keer leest, er tegen deze zin al heel wat meer transplantaties mogelijk zijn. Lang leve(r) de wetenschap!

Nathan Carpentier dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2023. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.