Anthony Atala over het kweken van nieuwe organen

Anthony Atala's moderne laboratorium kweekt menselijke organen -- van spieren tot aders tot blazen, en meer. Bij TEDMED laat hij beelden zien van zijn bio-ingenieurs die werken met science-fiction apparaten uit het lab, waaronder een oven-achtige bioreactor (voorverwarmen op 37 graden) en een machine die menselijk weefsel kan 'printen'.

Dit is een schilderij

dat in de Countway bibliotheek hangt van de Harvard Medical School.

Je ziet de eerste keer dat er een orgaan wordt getransplanteerd.

Vooraan zie je Joe Murray

die de patiënt klaar maakt voor de transplantatie

en achteraan zie je Hartwell Harrison,

hoofd urologie in Harvard,

die de nier uitneemt.

De nier was het eerste orgaan

dat ooit werd getransplanteerd bij mensen.

Dat was in 1954.

55 jaar geleden

worstelden ze nog met dezelfde uitdagingen

als tientallen jaren geleden.

Veel vooruitgang, veel geredde levens.

Maar er is een groot tekort aan organen.

In de laatste tien jaar is het aantal patiënten

dat wacht op een transplantatie verdubbeld.

Tegelijkertijd is het aantal transplantaties

bijna helemaal gelijk gebleven.

Dat heeft te maken met de veroudering van de bevolking.

We worden gewoon ouder.

Geneeskunde houdt ons

steeds beter in leven.

Maar terwijl we verouderen, begeven onze organen het meer en meer.

Dat is dus de uitdaging,

niet alleen voor organen maar ook voor weefsel.

De alvleesklier vervangen,

zenuwen vervangen om de ziekte van Parkinson te genezen.

Dat zijn grote uitdagingen.

Dit is een verbijsterende statistiek.

Elke 30 seconden

sterft iemand aan ziekten

die behandeld kunnen worden met weefsel-regeneratie of vervanging.

Wat kunnen we eraan doen?

Vandaag hadden we het over stamcellen.

Dat is een manier.

Maar nog ver verwijderd van het inbrengen ervan in patiënten,

als je het hebt over daadwerkelijke orgaantherapieën.

Zou het niet geweldig zijn als ons lichaam kan regenereren?

Zou het niet geweldig zijn als we het vermogen van ons lichaam

om zichzelf te genezen, konden besturen?

Dat is niet eens zo'n gek idee;

het vindt dagelijks plaats op aarde.

Dit is een foto van een salamander.

Salamanders zijn verbazend goed in regeneratie.

Hier zie je een filmpje.

Dit is een gewonde poot van de salamander.

Dit zijn echte foto's,

getimed, waarop je ziet dat de poot regenereert

op een paar dagen tijd.

Je ziet het litteken ontstaan.

Uit dat littekenweefsel ontstaat

een nieuwe poot.

Salamanders kunnen het dus.

Waarom wij niet? Waarom kunnen mensen niet regenereren?

In feite kunnen we dat wél.

Het lichaam heeft veel organen

en elk orgaan in je lichaam

heeft een celpopulatie

die klaar staat om in te vallen bij verwonding. Dat gebeurt dagelijks.

Naarmate je ouder wordt.

Je botten regenereren elke 10 jaar.

Je huid regenereert elke twee weken.

Je lichaam regenereert dus voortdurend.

Het wordt spannend als er een verwonding is.

Tijdens verwonding of ziekte

is de eerste reactie van het lichaam

zich af te zonderen van de rest van het lichaam.

Het wil de infectie bestrijden

en zichzelf isoleren, of het nou je organen zijn,

of je huid, de eerste reactie

is dat littekenweefsel ontstaat,

om zich van de buitenwereld te isoleren.

Hoe kunnen we dat vermogen beteugelen?

Eén van de manieren waarop we dat doen

is door slimme biomaterialen te gebruiken.

Hoe werkt dat? Aan de linkerkant hier

zie je een urethra die gewond is.

Dit kanaal verbindt de blaas met de buitenkant van het lichaam.

Je ziet dat er een wond is.

We ontdekten dat je deze biomaterialen kunt gebruiken

als een brug.

Als je die brug bouwt en je sluit

de buitenwereld af,

dan kun je die brug bouwen, en cellen

die zich in je lichaam regenereren,

kunnen dan de brug over en dat pad nemen.

Precies dat zie je hier.

Het is eigenlijk een slim biomateriaal

dat we hebben gebruikt voor deze behandeling.

Dit was een gewonde urethra, aan de linkerkant.

We gebruikten het materiaal in het midden.

Zes maanden later zie je aan de rechterkant

de opnieuw gevormde urethra.

Het blijkt dat je lichaam wel regenereert,

maar slechts over korte afstanden.

De maximale afstand voor regeneratie

is maar ongeveer een centimeter.

We kunnen deze slimme materialen dus gebruiken

maar alleen maar voor een centimeter

om de afstand te overbruggen.

We kunnen dus regeneren, maar alleen voor korte afstanden.

Wat doen we dan

als je een letsel hebt bij een groter orgaan?

Wat doen we als we verwondingen hebben

aan structuren die veel groter zijn

dan één of twee centimeter?

Dan kunnen we cellen gaan gebruiken.

De aanpak is, als een patiënt bij ons komt

met een ziek of gewond orgaan,

dan neem je een heel klein stukje weefsel van dat orgaan,

kleiner dan de helft van een postzegel,

dan vouw je dat weefsel uit elkaar,

en je kijkt naar de basale componenten,

de eigen cellen van de patiënt,

je neemt die cellen uit,

je kweekt die cellen buiten het lichaam in grote hoeveelheden,

en dan gebruiken we substraatmaterialen.

Met het blote oog lijken ze op een stukje bloes

of shirt, maar in feite

zijn deze materialen nogal complex

en gemaakt om te ontbinden als ze eenmaal in het lichaam zitten.

Na een paar maanden is het ontbonden.

Het gedraagt zich als een vervoermiddel voor cellen.

Het brengt cellen in het lichaam. Het laat de cellen

nieuw weefsel aanmaken,

en als dat eenmaal is gebeurd dan verdwijnt het substraat.

Dat deden we voor een stukje spierweefsel.

Hier zie je een stukje spier en hoe we door de structuren

heen gaan om daadwerkelijk een stukje spier te fabriceren.

We nemen de cellen, we breiden ze uit,

we zetten ze op het substraat

en dan brengen we het substraat terug in de patiënt.

Maar voordat we het substraat inbrengen bij de patiënt

gaan we hem daadwerkelijk trainen.

We willen zeker stellen dat we deze spier

conditioneren, zodat hij weet wat hij moet doen

als 'ie weer wordt teruggezet in de patiënt.

Dat zie je hier. Je ziet

deze bio-reactor voor spieren

de spier trainen, heen en weer.

Oké. We zien hier platte structuren,

het spierweefsel.

Hoe zit het met andere structuren?

Dit is een gefabriceerd bloedvat.

Het lijkt sterk op wat we zojuist deden, maar iets complexer.

Hier nemen we het substraat

en eigenlijk -- substraat kan als een stukje papier zijn.

We maken een tubus van het substraat.

Om een bloedvat te maken passen we dezelfde strategie toe.

Een bloedvat bestaat uit twee verschillende celtypen.

We nemen spiercellen, we plakken,

of bedekken de buitenkant met spiercellen,

alsof je een bladertaart bakt, bijvoorbeeld.

Je legt de spiercellen aan de buitenkant.

Je plaatst de vasculaire bloedvatbekledings-cellen binnenin.

Nu heb je het volledig ingezaaide substraat.

Je plaatst het in een oven-achtig apparaat.

Dat heeft dezelfde condities als het menselijk lichaam,

37 graden celcius,

95 procent zuurstof.

Daarna train je het, zoals je op de film zag.

Rechts zie je daadwerkelijk een gefabriceerde halsslagader.

Dit is de slagader die van je nek naar je hersenen gaat.

Dit is een röntgenfoto, die toont

het prima functionerende bloedvat.

Complexere structuren

zoals bloedvaten, urethra's, die ik liet zien,

die zijn zeer zeker complexer

omdat je twee verschillende celtypen inbrengt.

Maar eigenlijk fungeren ze meer als kanalen.

Je laat er vloeistof of lucht door gaan

in stabiele situaties.

Ze zijn lang niet zo complex als holle organen.

Holle organen zijn veel complexer,

want je wilt dat ze doen wat je van ze vraagt.

De blaas is zo'n orgaan.

Dezelfde strategie, we nemen een klein stukje blaas,

minder dan een halve postzegel groot.

We vouwen dit weefsel uit elkaar

in zijn twee aparte cel-componenten,

spierweefsel en gespecialiseerde blaas-cellen.

We kweken de cellen buiten het lichaam in grote hoeveelheden.

Het duurt ongeveer twee weken om cellen uit het orgaan te kweken.

We maken een substraat in de vorm van een blaas.

We bedekken de binnenkant met blaasvoering-cellen.

We bedekken de buitenkant met spiercellen.

We zetten het in het oven-achtige apparaat.

Vanaf het moment dat je het stukje weefsel hebt, kun je zes tot acht weken later

het orgaan zo terugplaatsen in de patiënt.

Dit laat het substraat zien.

Het materiaal wordt bedekt met de cellen.

Toen we de eerste klinische testen voor deze patiënten deden

maakten we het substraat voor elke patiënt apart.

We brachten patiënten binnen,

zes tot acht weken voor de geplande operatie, maakten röntgenfoto's,

en dan stelden we een substraat samen, specifiek op maat gemaakt voor de

bekkenholte van de patiënt.

Voor fase twee van de testen

hadden we alleen verschillende maten: small, medium, large en extra large.

.

Echt waar.

En iedereen wilde natuurlijk extra large. Of niet?

.

Blazen zijn dus duidelijk wat complexer

dan de andere structuren.

Maar er zijn andere holle organen die nog meer complexiteit bezitten.

Dit is een hartklep die we hebben gefabriceerd.

En je fabriceert deze hartklep via dezelfde strategie.

We nemen het substraat, bezaaien het met cellen,

en nu zie je hier de kleppen openen en sluiten.

We trainen deze voordat we ze implanteren.

Dezelfde strategie.

De meest complexe zijn de vaste organen.

Vaste organen, ze zijn complexer

omdat je meer cellen per centimeter gebruikt.

Dit is een simpel vast orgaan zoals een oor.

Nu wordt hij bezaaid met kraakbeen.

Dat is het oven-achtige apparaat.

Als het is bezaaid wordt het daar geplaatst.

Na een paar weken kunnen we het kraakbeen-substraat wegnemen.

Hier fabriceren we vingers.

Ze worden laagje voor laagje opgebouwd,

eerst het been, we vullen de gaten met kraakbeen.

Dan voegen we bovenop spierweefsel toe.

Zo begin je gelaagde structuren te maken.

Ook hier weer vrij complexe organen.

Maar veruit de meest complexe organen

zijn de dooraderde, sterk dooraderde,

heel veel bloedtoevoer,

organen zoals het hart,

de lever, de nieren.

Dit is een voorbeeld -- meerdere strategieën

om vaste organen te fabriceren.

Dit is zo'n strategie. We gebruiken een printer.

In plaats van inkt gebruiken we -- je zag zonet een inkjet cartridge --

gebruiken we alleen cellen.

Dit is in feite een doorsnee desktop printer.

Het print een hart met twee kamers,

laag voor laag.

Je ziet het hart daar ontstaan. Het kost ongeveer 40 minuten om te printen,

en zes tot acht uur later

zie je spiercellen samentrekken.

.

Deze technologie is ontwikkeld door Tao Ju die aan ons instituut werkte.

Dit is natuurlijk nog steeds experimenteel,

niet om toe te passen bij patiënten.

Een andere strategie die we hebben toegepast

is om gedecellulariseerde organen te gebruiken.

We nemen donor-organen,

organen die niet gebruikt worden,

en dan gebruiken we heel zachte wasmiddelen

om alle celelementen uit de organen weg te nemen.

Je ziet bijvoorbeeld op het linkerpaneel,

bovenste paneel, een lever.

We nemen de donor-lever,

we gebruiken hele zachte wasmiddelen,

en met die zachte wasmiddelen nemen we alle cellen

uit de lever.

Twee weken later kun je dat orgaan optillen,

het voelt aan als een lever,

je kunt het vastpakken als een lever,

het ziet er uit als een lever, maar het heeft geen cellen.

Wat er overblijft

is het 'skelet' van de lever,

gemaakt van collageen,

een lichaamseigen stof die niet wordt afgestoten.

We kunnen dit van patiënt naar patiënt overbrengen.

Dan nemen we de bloedvatstructuur

en we kunnen aantonen dat we de bloedtoevoer behouden.

Hier zie je, dit is een fluoroscopie.

We spuiten contrastvloeistof in het orgaan.

Hier begint het. We injecteren de contrastvloeistof in het orgaan,

in de gedecellulariseerde lever.

Je ziet dat de vasculaire boom intact blijft.

Dan nemen we de vasculaire cellen,

bloedvatcellen, we doortrekken de vasculaire boom

met de eigen cellen van de patiënt.

We doortrekken de buitenkant van de lever

met de eigen levercellen van de patiënt.

We kunnen dan functionele levers maken.

Dat is wat je hier ziet.

Dit is nog experimenteel. Maar we zijn daadwerkelijk in staat de functionaliteit van de

leverstructuur experimenteel te reproduceren.

Voor wat betreft de nier,

zoals ik vertelde bij het eerste schilderij dat jullie zagen,

de eerste slide die ik liet zien,

90 procent van de patiënten op de wachtlijst voor transplantatie

wachten op een nier, 90 procent.

Een andere strategie die we naleven

is om schijfjes te maken

die we op elkaar stapelen, zoals bij een accordion bijvoorbeeld.

We stapelen schijfjes op elkaar en gebruiken de niercellen.

Dan zie je miniatuur-nieren die we hebben gefanriceerd.

Ze maken daadwerkelijk urine.

Het zijn opnieuw kleine structuren, onze uitdaging is ze groter te maken,

en daar werken we op dit moment aan

in het instituut.

Iets wat ik voor jullie wil samenvatten

is een strategie die we op het oog hebben bij de regeneratieve geneeskunde.

Als het ook maar enigszins mogelijk is

dan willen we graag slimme biomaterialen gebruiken

die standaard worden geleverd

om organen te regenereren.

We worden nu beperkt door afstanden,

maar ons doel is die afstanden te gaan vergroten.

Als we geen slimme biomaterialen kunnen gebruiken

dan gebruiken we liever de lichaamseigen cellen.

Waarom? Die worden niet afgestoten.

We kunnen cellen bij je wegnemen,

de structuur maken, weer terugplaatsen, ze worden niet afgestoten.

Indien mogelijk gebruiken we het liefst de cellen van het orgaan zelf.

Als je bij ons komt met een zieke luchtpijp

dan gebruiken we het liefst cellen uit je luchtpijp.

Als je bij ons komt met een ziekte aan de alvleesklier

dan gebruiken we het liefst cellen uit dat orgaan.

Waarom? Omdat we het liefst die cellen gebruiken

die al weten dat je die celtypen wilt.

Een luchtpijpcel weet al dat hij een luchtpijpcel is.

We hoeven hem niet te leren een ander celtype te worden.

We hebben dus liever orgaanspecifieke cellen.

Tegenwoordig kunnen we cellen uit bijna elk orgaan in je lichaam nemen,

behalve een aantal waarvoor we nog steeds stamcellen nodig hebben,

zoals hart, lever, zenuw en alvleesklier.

Voor die hebben we nog stamcellen nodig.

Als we geen stamcellen van je eigen lichaam kunnen gebruiken

dan gebruiken we het liefst donor-stamcellen.

We hebben voorkeur voor cellen die niet afstoten

en geen tumors vormen.

We werken vaak met stamcellen waarover we

twee jaar geleden hebben gepubliceerd,

stamcellen uit het vruchtwater,

en de placenta, die die eigenschappen hebben.

Nu wil ik jullie graag vertellen over

een aantal grote uitdagingen die we hebben.

Ik heb jullie net de presentatie laten zien, het ziet er allemaal zo mooi uit,

alles werkt. Maar nee,

deze technologieën zijn echt niet zo makkelijk.

Delen van het werk wat jullie hebben gezien

werd gedaan door meer dan 700 onderzoekers

in ons instituut, gedurende 20 jaar.

Dit zijn dus erg moeilijke technieken.

Als je de formule eenmaal goed hebt dan kun je het herhalen.

Maar het kost veel om dat te bereiken.

Ik laat altijd graag deze strip zien.

Hoe stop je een op hol geslagen postkoets.

Daar zie je de koetsier,

en in het bovenste plaatje gaat 'ie,

hij gaat van A, B, C, D, E, F.

Uiteindelijk stopt hij de op hol geslagen koets.

Dat zijn meestal de gewone wetenschappers,

de ondersten zijn meestal de chirurgen.

.

Ik ben zelf chirurg dus dat is niet zo leuk.

.

Maar methode A is eigenlijk de juiste manier.

Wat ik daarmee bedoel is dat elke keer als we één van deze technieken uitbrengen

in de kliniek,

dan verzekeren we ons ervan dat we er alles aan doen

in het laboratorium, voordat we

deze technieken loslaten op patiënten.

En als we deze technieken op patiënten gaan gebruiken

dan willen we onszelf eerst een hele lastige vraag hebben gesteld.

Ben je bereid dit in te brengen in je geliefde, je eigen kind,

je eigen familielid, en pas dan gaan we verder.

Want ons belangrijkste doel is natuurlijk

ten eerste: doe geen kwaad.

Ik laat jullie nu een heel kort filmpje zien.

Het is een film van 5 seconden van een patiënt

die een gefabriceerd orgaan heeft ontvangen.

Een paar van deze structuren implanteerden we

meer dan 14 jaar geleden.

Er lopen dus nu patiënten rond met organen,

gefabriceerde organen, ook al meer dan 10 jaar.

Ik laat een filmpje zien van een jonge vrouw.

Ze had een open rug, een abnormaliteit van de ruggegraat.

Ze had geen normale blaas. Dit is een segment van CNN.

We kijken maar naar vijf seconden.

Dit is een deel dat Sanjay Gupta voor zijn rekening nam.

Video: Kaitlyn M: Ik ben blij. Ik ben altijd bang geweest

dat ik een ongeluk of zoiets zou krijgen.

En nu kan ik gewoon

gaan stappen met m'n vriendinnen,

doen waar ik zin in heb.

Athony Atala: Zie je, uiteindelijk is de belofte van regeneratieve geneeskunde

een enkele belofte.

En die is heel eenvoudig,

om onze patiënten beter te maken.

Hartelijk dank voor de aandacht.

.