Three-dimensional bioprinting of vascularized kidney tubules for uremic toxin removal

Ontwikkelen van 3D geprinte nierbuisjes omringd door bloedvaatjes in een microvloeistofsysteem en bestuderen van de uitscheiding van afvalstoffen. Vervolgens de kennis als basis gebruiken voor de ontwikkeling van implanteerbare nierfunctievervangende therapie in de toekomst.

Nierziekten vormen wereldwijd een toenemend gezondheidsprobleem. In Nederland lijden ongeveer anderhalf miljoen mensen aan een (beginnende) vorm van nierfalen, wat op den duur kan leiden tot een verlies van nierfunctie (chronisch nierfalen, CKD). Bij patiënten met CKD neemt de hoeveelheid schadelijke afvalstoffen (uremische toxines) in het bloed toe (uremie), waardoor een verhoogd risico op ziektes en overlijden ontstaat.

De verwachting is dat 3D geprinte nierbuisjes in staat zijn om uremische toxines efficiënt uit het bloed te verwijderen. Om deze hypothese te toetsen zal de onderzoeksgroep allereerst nierbuiscellen ontwikkelen uit stamcellen. Vervolgens zullen de nierbuiscellen gemengd worden met biomaterialen, welke de cellen ondersteunen in hun groei. Het mengsel van cellen en biomaterialen zal met behulp van een 3D bioprinter in de vorm van een nierbuisje worden geprint. Om het transportproces zoals dat in de menselijke nier plaatsvindt in het laboratorium zo goed mogelijk na te kunnen bootsen, zal er dicht naast het nierbuisje ook een bloedvat worden geprint. Beide buisjes zullen in een microvloeistofsysteem geplaatst worden en verbonden worden met slangetjes waardoor er stroming door de buisjes kan plaatsvinden. Dit microsysteem geeft de mogelijkheid om de uitscheiding van afvalstoffen vanuit het bloedvat naar het nierbuisje te kunnen bestuderen. De resultaten van dit project zullen inzicht geven in de capaciteit van de ontwikkelde nierbuisjes om afvalstoffen uit te kunnen scheiden, waarmee een schatting kan worden gemaakt van de klinische toepasbaarheid. In de toekomst kunnen deze nierbuisjes de basis vormen voor implanteerbare nierfunctievervangende therapie.

Vraagstelling:
1. Ontwikkelen van functionele nierbuiscellen uit stamcellen en ontrafelen van de signaalroutes die betrokken zijn bij het differentiatieproces.
2. Ontwikkelen en optimaliseren van 3D geprinte nierbuisjes omringd door bloedvaatjes.
3. Bepalen van de capaciteit van de 3D geprinte nierbuisjes om afvalstoffen uit te scheiden.

In dit onderzoek is gewerkt aan het construeren van nierbuisjes die in de toekomst als implanteerbaar systeem zouden kunnen functioneren. De onderzoekers veronderstelden dat een implanteerbaar nierbuisjessysteem de voorkeur verdient, omdat het de continue verwijdering van afvalstoffen mogelijk maakt en hiermee de kwaliteit van leven van de patiënt kan verbeteren. Tegelijkertijd dienen de ontwikkelde nierbuisjes als model voor het bestuderen van gezonde én zieke nieren.

De onderzoekers hebben twee verschillende nierbuismodellen ontwikkeld. Ten eerste de ‘melt-electrowritten’ (een techniek waarmee met gesmolten plastic een structuur kan worden geprint) holle buizen, die stevig zijn, klein van formaat en zeer poreus. Deze buisjes kunnen met cellen worden bekleed die de uitwisseling van stoffen vanuit bloedvaten vergemakkelijken. Het gebruikte materiaal, polycaprolactone, is biocompatibel en zou in de toekomst voor implantatie kunnen worden gebruikt. De niercellen die zijn gebruikt waren menselijke,volwassen, proximale tubuluscellen en glomerulaire endotheelcellen die in deze buisjes gepolariseerde monolagen vormen en matrixeiwitten uitscheiden waardoor er functioneel weefsel werd gevormd. In de nog ongepubliceerde resultaten toonden de onderzoekers verder het eerste werk met van stamcel- (iPSC-) afgeleide nierorganoïden in de holle buisjes. Hoewel dit nog in de kinderschoenen staat is deze benadering wel veelbelovend voor de ontwikkeling van gepersonaliseerde nierkanaalsystemen.

Een tweede systeem dat is ontwikkeld is het printen van een hol, gedraaid kanaaltje in een hydrogel, waarin de humane proximale tubuluscellen een functioneel nierbuisje konden vormen. Dit zogenaamde coaxiaal-printsysteem zorgt voor een meer robuuste en eenvoudigere fabricage van perfuseerbare kanaaltjes waarmee de fysiologische structuur van de nierbuisjes nog beter kunnen worden nagebootst. Deze buisjes bieden een complexe micro-omgeving waarin de cellen volwassen markers vertonen, zoals functionele transporteiwitten en gepolariseerde monolagen. Bovendien kan dit model ook worden gebruikt voor mechanistische studies van tubulopathieën.

Soort: Onderzoek met cellijnen; fundamenteel/toegepast, niet-klinisch
Onderwerp: 3D bioprinting, implanteerbare nierbuisjes, uremische toxines, bloedvaatjes