Bloedvaten beter in kaart door suikermodellen

Mary Poppins zong het al: ‘A spoonful of sugar helps the medicine go down’. Maar volgens promovendus Andreas Pollet kan suiker nog veel meer dan dat, als het gaat om gezondheidszorg.

‘Suikers zijn belangrijk voor een heleboel lichaamsfuncties. Maar in het lab kun je suikers ook gebruiken om complexe modellen te bouwen van systemen in het menselijk lichaam, zoals bloedvatnetwerken’, zegt Pollet, die zijn onderzoek afrondde in de groep van Jaap den Toonder van de faculteit Mechanical Engineering. ‘De sleutel tot het hele proces is 3D-printen.’

Suiker in 3D

3D-printen is vandaag de dag alomtegenwoordig in de samenleving. Met de juiste materialen kun je bijna alles 3D-printen, van betonnen huizen tot schaakstukken en chocoladedesserts. Voor zoetekauwen is het misschien teleurstellend om te horen dat Pollet er niet op uit was om lekkere toetjes te printen.

Samen met zijn medewerkers ontwierp Pollet een aangepaste 3D-printer die heel precies vezels van suiker kan printen. Meerdere vezels kunnen dan gecombineerd worden om netwerken te maken die lijken op bloedvatnetwerken.

‘Suiker kun je printen zonder stijve dragers, en het materiaal stolt bij afkoeling. Het kan dan zijn eigen gewicht dragen. Bovendien wordt het goed verdragen door het lichaam en lost het op in water - iets wat de meeste 3D-printmaterialen niet zo is’, zegt Pollet.

Suikerloos verder

Zodra het bloedvatmodel is geprint, is het tijd om afscheid te nemen van de suiker. Pollet: ‘We gebruiken de suiker alleen om een mal te maken van een bloedvatnetwerk. Suiker is zelf is namelijk niet geschikt om een model te maken van een bloedvatennetwerk, want het zou meteen oplossen. Dus coaten we de mal, en gieten er dan een ander materiaal in.’

De suikernetwerken worden gecoat met een biocompatibel en biologisch afbreekbaar polymeer om te voorkomen dat de suiker oplost tijdens het gietproces. Eenmaal gecoat worden de netwerken gegoten met PDMS, een veelgebruikt organisch polymeer op siliciumbasis dat stabiliteit op lange termijn geeft, of met hydrogels, die veel lijken op menselijk weefsel, en daarom gemakkelijk zichtbaar kunnen worden gemaakt met echografie.

Hoe je de kleinste vaten maakt

Pollets gebruik van suiker voor kunstmatige bloedvatnetwerken is vooral geschikt voor het namaken van kleine bloedvaten.

‘We kunnen vaten printen met diameters van enkele millimeters tot een tiende van een millimeter (dezelfde dikte als een haar). En we kunnen vertakkingen in de vaten printen, precies zoals je ziet in bloedvatnetwerken in het lichaam’, zegt Pollet. ‘De controle is fenomenaal!’

De beweging van luchtbellen of vloeistoffen door de geprinte netwerken kan worden gevolgd met behulp van echobeelden en microscopie. Pollets onderzoekcollega's Peiran Chen en Meiyi Zhou werken respectievelijk aan de signaalverwerking en de ontwikkeling van de hardware voor de echografie. De resultaten van de echo’s kunnen vervolgens worden vergeleken.

Om de bloedvaten in de netwerken te laten werken als echte bloedvaten, bekleedde Pollet de binnenkant van de netwerkkanalen met cellen uit bloedvaten. ‘Om de cellen in leven te houden, plaatsten we een kweekmedium voor cellen in de vaten en voorzagen we ze van vocht om te overleven.’

Naast het 3D-printen van suiker, gebruikte Pollet nog twee andere manieren om bloedvatnetwerken te bouwen. Eerst gebruikte hij kolommen van kralen van verschillende grootte om vaatnetwerken te benaderen, waarbij kolommen van grotere kralen gezonde netwerken waren, terwijl kolommen van kleinere kralen netwerken rond tumoren waren. In de tweede benadering kweekte Pollet fijnmazige bloedvatnetwerken met echte cellen in een groeikamer.

Toekomstige stappen

De volgende stap voor Pollet is een postdoc-positie bij Sanquin in een project samen met de TU/e. Sanquin is een organisatie in Amsterdam, die verantwoordelijk is voor de bloedvoorziening in Nederland. ‘Het doel is om beenmerg na te bootsen. We willen een manier bedenken om bloedplaatjes en rode bloedcellen op een chip te maken. Net als bij mijn promotieonderzoek heeft dit project te maken met bloedvaten en bloedstromen.’

Het onderzoek van Pollet heeft aangetoond dat je een hele reeks materialen nodig hebt om bloedvatnetwerken te maken in het lab. Echte cellen, polymeren en hydrogels spelen allemaal een rol. Maar het gebruik van suiker, hoe onconventioneel ook, is wellicht het meest effectief en belangrijk.

Mary Poppins zou blij zijn.

Andreas Pollet verdedigde dinsdag 12 april zijn proefschrift. Titel van PhD-thesis: “In vitro models for investigating vascular flow: A toolbox for recreating the vasculature on chip”. Promotors: Jaap den Toonder en Massimo Mischi.