Mathematical modelling of calcium influence on the activity of osteogenic cells

De botten van Sabine Hagedoren

Ooit al eens iets gebroken? Dan herinner je je vast nog de pijn, het gips en vooral het lange genezingsproces. In 10 procent van de gevallen geneest de breuk echter niet…

Wat dan? Gelukkig is er sinds enkele jaren een wetenschap ontstaan tussen geneeskunde en ingenieurswetenschappen. Artsen en ingenieurs bundelen hun kennis en samen proberen zij nieuw weefsel te maken wanneer het lichaam dat niet meer zelf kan.

Weefselengineering

Het menselijk skelet bestaat uit wel 206 botten die het lichaam ondersteunen en ervoor zorgen dat we kunnen bewegen. Bovendien beschermen ze de inwendige organen, denk maar aan de schedel die onze kwetsbare hersenen behoedt voor letsels. In extreme gevallen (bijvoorbeeld bij een val) kan het echter zijn dat er zoveel druk op een bot uitgeoefend wordt dat het breekt. Meestal geneest de breuk netjes, maar bij zo’n 10 procent van de patiënten groeien de twee botdelen van een breuk niet meer aan elkaar en blijft er een ‘gat’ tussen de twee stukken. Dit is een ernstige complicatie die ervoor zorgt dat de patiënt pijn blijft hebben en dit ledemaat niet kan gebruiken.

Sinds 1990 wordt er onderzoek verricht in het domein van de “weefselengineering”. Zoals de naam al doet vermoeden, proberen weefselingenieurs zelf biologische weefsels, zoals huid-, spier- en botweefsel te ontwerpen en aan te maken. Dit heeft verschillende voordelen. Bij ernstige brandwonden bijvoorbeeld nemen chirurgen vaak wat gezonde huid van op een andere plaats (zoals je billen) die ze vervolgens gebruiken om de wonde te herstellen. Een nadeel hiervan is dat je op een gezonde plaats een wonde creëert, wat infecties kan veroorzaken. Om dit probleem te vermijden zou men ook donorweefsel kunnen gebruiken, wat het geval is tijdens transplantaties van de lever en het hart. Er bestaat echter altijd het risico dat het lichaam het nieuwe weefsel als vreemd beschouwt en zal afstoten. Bovendien is er een acuut tekort aan donororganen. Indien er echter weefsels gemaakt zouden kunnen worden, door enkele cellen te nemen van de patiënt en deze te laten groeien tot een heel (nieuw) orgaan, dan zijn deze problemen van de baan.

Een nieuw bot in 3 stappen…

Dit is natuurlijk gemakkelijker gezegd dan gedaan. Hoe kunnen we zelf een nieuw weefsel maken wanneer we weten dat het menselijk lichaam enorm complex is? Daartoe slaan ingenieurs en artsen de handen in elkaar. De ingenieurs gaan met hun wiskunde alles berekenen en de artsen brengen de nodige biologische kennis aan.

In een eerste fase neemt de chirurg botcellen van de patiënt en plaatst ze op een draagstructuur die de vorm heeft van het gewenste orgaan. Je vraagt je waarschijnlijk af “als die botcellen geen bot willen maken in het lichaam, waarom dan wel op die draagstructuur?”. Dit heeft te maken met het feit dat de botcellen in het lichaam zich in een “zieke” omgeving bevinden. Er zijn te weinig signalen aanwezig die de botcellen vertellen wat ze moeten doen. Maar de draagstructuur bestaat net uit een stevig materiaal met vele gaten, zodat de cellen erdoor kunnen bewegen, en met signalen, zodat de cellen weten dat ze opnieuw bot moeten beginnen aanmaken.

In stap twee wordt dit geheel van cellen en drager in een speciale kweekkamer, een bioreactor, gelegd. Hierin wordt de temperatuur alsook de voedingsstoffen voor de cellen voortdurend gecontroleerd. Dankzij deze gunstige omgeving beginnen de cellen te groeien en nieuw weefsel aan te maken.

Na enkele weken wordt de draagstructuur met cellen dan in het lichaam ingeplant. Doordat de botcellen nu wel voldoende signalen krijgen, maken ze gezond botweefsel aan en tegelijk lost de draagstructuur langzaamaan op. Na een tijdje blijft er dus alleen een genezen bot over.

De botten van Sabine Hagedoren

Wat zijn nu die signalen die de botcellen nodig hebben om bot aan te maken en zo de breuk te helen? Een heel belangrijk signaal blijkt calcium te zijn. Blijkbaar - de wetenschappers weten nog niet exact waarom - stimuleert calcium de botcellen om botweefsel aan te maken. Ingenieurs kwamen daarom op het lumineuze idee om calciumfosfaten in die draagstructuur in te bouwen. Deze fosfaten lossen immers zeer traag op in het lichaam en zetten daarbij calcium en fosfaat vrij.

Maar calcium is niet het enige signaal dat het proces van botvorming beïnvloedt. Ook groeifactoren, signalen die de cellen doen groeien en vermenigvuldigen, spelen een essentiële rol. Daarnaast weten we uit ervaring dat we een gebroken ledemaat moeten laten rusten, en dus heeft ook de belasting een invloed op het genezingsproces. Dit zijn slechts drie van de tientallen factoren die een welbepaalde functie hebben bij breukheling. Onnodig te vermelden dat dit algauw zeer complex wordt en dat dit niet zomaar te overzien, laat staan te voorspellen, valt.

En dan doen de ingenieurs hun intrede in het verhaal. Zij proberen met wiskundige vergelijkingen te beschrijven wat er in het lichaam allemaal gebeurt1. Net zoals Sabine Hagedoren met wiskundige modellen het weer tracht te voorspellen, proberen biomedische ingenieurs de biologie te begrijpen en te voorspellen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld berekenen hoeveel calcium er optimaal vrijgezet moet worden door de draagstructuur, want als er te weinig signalen zijn, brengen ze het proces niet op gang en als er te veel zijn, zijn ze toxisch voor de cellen. Het grote voordeel van deze wiskundige modellen is dat er veel minder dier- en patiëntenstudies moeten gebeuren, want als het wiskundig model nauwkeurig is, dan kan je de computer gewoon laten berekenen wat er zal gebeuren in plaats van al die tijdrovende en dure experimenten te moeten uitvoeren. Spijtig genoeg, net als de weersvoorspellingen van Sabine, zijn de modellen niet altijd even accuraat en is er nog verder onderzoek nodig om ze te verbeteren.

Hoewel het basisidee van weefselengineering heel eenvoudig is, moeten onderzoekers nog vele hindernissen overwinnen. Maar er zijn al heel wat successen geboekt, zoals het maken van een nieuwe urineblaas2 en nieuw kaakbeen3. Dankzij de nauwe samenwerking van artsen en ingenieurs zal in de toekomst deze techniek de ziekenhuispraktijk meer en meer binnendringen. En ondanks de verschillende achtergrond van deze onderzoekers hebben ze hetzelfde doel voor ogen: zoveel mogelijk patiënten helpen en hen een hogere levenskwaliteit geven.