In het lab gecreëerde bloedvaten: mechanische stabiliteit telt

1 oktober 2019

Cum laude voor een PhD project over de mechanische eigenschappen van lab gecreëerde bloedvaten.

Eline van Haaften, promovendus aan TU/e. Foto: TU/e.

Biologisch afbreekbare buisjes die veranderen in levende bloedvaten zodra ze in het menselijk lichaam worden geïmplanteerd. In een denkbeeldige, moderne versie van Fantastic Voyage zou Isaac Asimov zijn onderzeeboot waarschijnlijk door de kronkelingen van ons hart- en vaatstelsel navigeren om uit te zoeken hoe dit proces verloopt. En hij zou begrijpen dat het functioneren van deze buisjes, hoe perfect ze er ook uitzien in het lab, in sterke mate afhankelijk is van de mechanische belasting door bloedstroom en bloeddruk. Eline van Haaften, promovendus aan de Faculteit Biomedische Technologie, ontwikkelde een bioreactor die de bloedsomloop in het menselijk lichaam nabootst, en bracht daarmee enkele mogelijke oorzaken van het falen van in het lab gecreëerde bloedvaten in kaart. De resultaten kunnen worden gebruikt om het ontwerp van deze bloedvaten te verbeteren, en om de klinische toepassing voor patiënten met hart- en vaatziekten en nierziekten te versnellen. Van Haaften verdedigt haar proefschrift op 1 oktober aan de TU/e.

Bij traditionele ingrepen gericht op genezing van patiënten die lijden aan bloed- en vaatziekten worden de bloedvaten of aderen van patiënten of donoren getransplanteerd. Dit leidt tot een enorme vraag naar bloedvaten. Om dit tekort op te vangen worden vaak synthetische bloedvaten geïmplanteerd. Deze implantaten zijn echter niet in staat om echte bloedvaten na te bootsen en hebben een groter risico op bloedproppen en infecties. Bovendien kunnen ze zich niet aanpassen aan het ontwikkelings- en verouderingsproces van de patiënt.

In het lab gecreëerde bloedvaten: goedkoop en veilig

In het lab gecreëerde bloedvaten zouden wel eens een game changer kunnen zijn voor miljoenen hart- en vaatpatiënten. Eline van Haaften, promovendus in de groep Soft Tissue Biomechanics & Engineering van prof. Carlijn Bouten, legt uit dat “allemaal begint met celvrij, biologisch afbreekbaar materiaal” in de vorm van een bloedvat, een zogenaamde ‘scaffold’ (steiger). “Wanneer zo’n scaffold eenmaal in het lichaam geïmplanteerd is”, vertelt Van Haaften, “gebruikt het de cellen van de patiënt om nieuw vaatweefsel aan te maken”. Terwijl het nieuwe weefsel wordt aangemaakt verdwijnt de scaffold langzaam, totdat er een compleet nieuw en perfect functionerend bloedvat overblijft. Scaffolds in verschillende diameters en lengtes kunnen eenvoudig geproduceerd en in grote hoeveelheden opgeslagen worden in het lab, of zelfs in ziekenhuizen. Bovendien is het risico op afstoting vrijwel nihil omdat ze geen biologische componenten bevatten.

Mechanische stabiliteit telt

Makkelijk te maken, goedkoop en veilig. Wat willen we nog meer, vraag je je af. De uitdaging begint echter pas zodra de scaffolds zijn geïmplanteerd. De scaffolds moeten afdoende bestand zijn tegen de specifieke mechanische belasting door de bloedstroom en bloeddruk. Bovendien worden de scaffolds vanwege hun poreuze structuur onmiddellijk gekoloniseerd door cellen van het immuunsysteem. Deze cellen kunnen de mechanische belasting door bloedstroom opsporen en erop reageren. De stabiliteit van het nieuwgevormde vaatweefsel hangt af van hoe deze cellen reageren op deze mechanische belasting. En het succes van de implantatie hangt er eveneens van af.

Op maat gemaakte bioreactor

Om te begrijpen hoe cellen reageren op mechanische belasting ontwikkelde Van Haaften een bioreactor die de bloedstroom en bloeddruk nabootst. Ze zaaide fibreuze scaffolds in met vasculaire cellen en stelde ze in de bioreactor bloot aan mechanische belasting door bloeddruk (rek), bloedstroom (schuifspanning), of een combinatie van de twee. Ze toonde aan dat de structuur van de geïmplanteerde bloedvaten in een langzamer tempo afbreekt wanneer ze worden opgerekt door bloeddruk, en dat dit gunstig is voor de aanmaak van nieuw vaatweefsel. Daarnaast toonde Van Haaften aan dat de schuifspanning op de wanden van de synthetische bloedvaten als gevolg van de bloedstroom, de excessieve aanmaak van weefsel beperkt. Van Haaften: “Deze resultaten onderstrepen het belang van een goede balans tussen mechanische belasting door bloedstroom en bloeddruk. Omdat we willen dat het synthetische vat afbreekt terwijl het nieuwe levende wordt aangemaakt, moeten de synthetische vaten buigzaam genoeg zijn wanneer ze worden blootgesteld aan bloeddruk. Dit kunnen we bijvoorbeeld doen door de dikte van de geïmplanteerde vaten aan te passen. We moeten de infiltrerende cellen echter ook blootstellen aan de schuifspanning als gevolg van de bloedstroom, zodat het nieuwgevormde weefsel daaraan wordt aangepast. Om dat voor elkaar te krijgen kunnen we bijvoorbeeld variatie aanbrengen in de diameter van de vaten en de mate van porositeit”.

Niet alleen toepasbaar bij hart- en vaatziekten

“Deze synthetische bloedvaten”, legt Van Haaften uit, “kunnen ook gebruikt worden voor nierpatiënten die dialyses ondergaan”. Op dit moment wordt gedialyseerd via een shunt, een ader die operatief verbonden is met een slagader in arm of been van een patiënt. Via de shunt stroomt het bloed door buisjes direct naar de dialysemachine, waar giftige stoffen eruit worden gefilterd. Echter, bij sommige patiënten zijn de bloedvaten simpelweg niet sterk genoeg. In het lab gecreëerde bloedvaten zouden ook in dit geval uitkomst kunnen bieden. Ze werken echter vaak niet vanwege een abnormale vernauwde diameter (stenose). Deze vernauwing wordt veroorzaakt door excessieve celdeling en abnormale aanmaak van weefsel, waardoor de diameter steeds verder afneemt en de bloedtoevoer wordt geblokkeerd. Wat er precies ten grondslag ligt aan deze vernauwing is echter nog steeds niet helemaal duidelijk. In dit geval ontdekte Van Haaften dat abnormale schommelingen in de bloedsomloop – die mogelijk plaatsvinden wanneer de diameter van een geïmplanteerd bloedvat verschilt van een natuurlijke – abnormale celdeling en aanmaak van weefsel kunnen activeren.

UNESCO rising talent

Met deze resultaten kan het ontwerp van in het lab gecreëerde bloedvaten verbeterd worden en is een veilige toepassing van deze techniek een stap dichterbij gekomen voor hart- en vaatpatiënten en nierpatiënten. Van Haaften ontving een eervolle vermelding van de L'Oréal-UNESCO Rising Talent Prize voor vrouwelijke wetenschappers voor haar werk. De prijs is een initiatief van L'Oréal Nederland, de Nederlandse UNESCO Commissie en de Koninklijke Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen (KHMW) en heeft als doel om de academische carrières van jonge vrouwelijke onderzoekers in Nederland te bevorderen.

Cum Laude

Van Haaften is al vaker onderscheiden voor haar academische werk. Zo behaalde zij voor zowel haar Bachelorscriptie als haar Masterscriptie de onderscheiding Cum Laude. Promotor prof. dr. Bouten en copromotor Nicholas Kurniawan: “Met haar onderzoek heeft Van Haaften een originele en zeer welkome bijdrage geleverd op de gebieden van weefseltechnologie, biomaterialen, en vasculaire immunologie en biologie. Als er geen methoden bestonden, ontwikkelde zij die zelf. Toen analytische instrumenten ontoereikend bleken, verbeterde zij ze om daarmee harde, verifieerbare en overtuigende resultaten te behalen. Bovendien deelde ze haar onderzoeksresultaten openlijk binnen de wetenschap. Gedurende haar academische carrière heeft zij zich altijd een voortreffelijke wetenschapper getoond met een scherpe analytische geest en een buitengewone werkethiek”.

Eline van Haaften zal haar proefschrift op 1 oktober verdedigen aan de TU/e. De titel van haar proefschrift luidt ‘On the impact of the mechanical environment in vascular tissue engineering: an in vitro study.’ Haar begeleider en co-begeleider zijn respectievelijk Carlijn Bouten en Nicholas Kurniawan.

Valentina Bonito
(Science Information Officer)