Een helemaal nieuwe hartklep, gekweekt van je eigen cellen. Vlees dat nooit aan een dier heeft vastgezeten. Het lijkt toekomstmuziek, maar het duurt niet lang meer of weefsels die in het laboratorium of de fabriek hun vorm, functie én training hebben gehad, zullen deel uitmaken van het normale leven. Intussen onderzoekt dr. Carlijn Bouten in haar lab ook wat weefsels aankunnen en hoe ze reageren op schade. Waarom doorliggen vaak niet de schuld van de wijkverpleging is.

Als vanzelf valt binnen een minuut de term science fiction, en ook het monster van Frankenstein dringt zich onherroepelijk op. In het laboratorium van dr. Carlijn Bouten (37) zijn ze namelijk al heel ver gevorderd in het maken van reserveonderdelen voor het menselijk lichaam.

Geen namaak, geen kunststof, maar hartkleppen, huid, spieren, kraakbeen gekweekt van echte mensencellen. Tissue engineering, ‘weefselbouw’ heet deze tak van biotechnologie, die op de Technische Universiteit Eindhoven voor het eerst een laboratorium bracht waar met levend materiaal wordt gewerkt.

Het woord vleesfabriek komt pas tegen het eind van het gesprek langs. En dan is het letterlijk bedoeld: Bouten verleent medewerking aan een ook door Economische Zaken gesteund project van zakenman Willem van Eelen met de industrie dat Vitro Meat, ‘reageerbuisvlees’ heet.

Het is een logisch uitvloeisel van haar onderzoek, al heeft ze er heel serieus over na moeten denken. “Ik ontkom niet aan ethische vragen”, stelt ze vast over al haar werk. “Maar vlees waar geen bio-industrie aan te pas komt, zonder hormonen en gekke-koeienziekte, ik zie er meer voordelen dan nadelen in.” En ze lacht: “Ik heb een zoontje van vijf dat net als zo veel kinderen denkt dat alles wat je eet en drinkt uit de fabriek komt. Het is nog maar net begonnen, maar straks ben ik de eerste moeder die kan zeggen: ja, vlees komt uit de fabriek..”

Een malse biefstuk moeten we ons daar overigens niet bij voorstellen. “We kunnen hier heel mooi spieren maken, en ze ook mechanisch trainen, zodat ze dikker worden, maar voor grote dikke stukken heb je ook doorbloeding nodig”, legt Bouten uit. “Het zal dus geen biefstuk worden, wel smeerworst.”

Roots

Het trainen van spieren is een rode draad in de carrière van Bouten, die verheugd is een van de veertig net geïnstalleerde leden te zijn van De Jonge Akademie, waarin de KNAW onderzoekers bij elkaar wil brengen die over de grenzen van vakken willen kijken en hun sporen in het onderzoek al verdiend hebben, maar die nog lang niet aan hun top zijn. Naar de inspiratie uit andere wetenschapsgebieden ziet Bouten uit, want met dat verschijnsel heeft ze een ruime ervaring.

Dat begon al bij haar studie Bewegingswetenschappen, een interdisciplinair terrein, waar functionele anatomie en inspanningsfysiologie haar hoofdvakken waren. Haar “roots” zegt ze zelf, en daar is ze nu weer bij terug.

“Ik wil weten hoe menselijk weefsel zich houdt en zich gedraagt onder mechanische belasting”, vat ze samen. “Welke belasting veroorzaakt onomkeerbare schade, wanneer is er juist sprake van aanpassing, of van herstel?”  Die vragen komen terug bij alle onderzoekslijnen in het lab waarvan Bouten de eerste versie opzette in 1998.

Neem bijvoorbeeld de inmiddels in een ver ontwikkelingsstadium verkerende levende hartkleppen, waarvoor ze enkele jaren geleden een van de grote VICI-subsidies van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) toegekend kreeg. Er bestaan weliswaar al lang kunstkleppen en kleppen van dieren die een slecht functionerende hartklep kunnen vervangen, maar die hebben belangrijke nadelen. “Wat je zoekt, is een prothese die mee kan groeien”, zegt Bouten, “zodat kinderen niet elke keer opnieuw geopereerd hoeven te worden. En je wilt graag een genetische match, om afstoting en verkalking te voorkomen, dus liefst gebruik je cellen van de patiënt zelf. Normale hartkleppen passen zich ook aan veranderende omstandigheden aan: als de bloeddruk omhooggaat bijvoorbeeld, en ze kunnen herstellen als er schade is.”

Ethische ban

Een nieuwe hartklep uit het laboratorium moet dus zo goed mogelijk aan die eigenschappen voldoen. Maar allereerst moet hij vorm krijgen. Daarvoor wordt een mal gebruikt van afbreekbaar materiaal, dat uiteindelijk in het lichaam helemaal zal verdwijnen.

Voor één enkele hartklep zijn intussen enorme aantallen cellen nodig. Bouten geeft met verve een rondleiding door het lab, de ene ijskast na de volgende incubator opentrekkend. Ontelbare flessen met roze vloeistof. “Cellen met groeifactoren, voeding, en kweekmedium, je moet ze trainen”, zegt ze.

Een probleem is dat de cellen vaak genoeg moeten delen. “Een ‘gewone’, volwassen cel deelt maar een beperkt aantal keer, en vaak niet snel genoeg”, heeft Bouten daarvoor al verteld. “We zullen over moeten stappen op multi-potente cellen, anders ben je vier maanden aan het kweken voor één hartklep. Tegen die tijd is de patiënt al lang dood als je pech hebt. Technisch ontkom ik daarom niet aan stamcellen. Omdat ik zelf twee IVF-kinderen heb, gebruik ik liever geen embryonale cellen. Ik heb er geen bezwaar tegen als bron van onderzoek, maar wel als leverancier.”

“Trouwens, cellen uit een embryo zijn nooit de cellen van de patiënt, en je wilt graag lichaamseigen kleppen maken, bijvoorbeeld met behulp van stamcellen uit het bloed. Maar ik vind die ethische ban op embryonale stamcellen dus wel goed.” 

Maar met genoeg cellen, gekweekt op een mal met de goede vorm ben je er nog niet. “Zo’n hartklep gaat meer dan 100.000 keer per dag open en dicht”, vertelt Bouten, “dus wij trainen ze.” Ze laat wat ze “de Ikea-opstelling” noemt zien. Zoals het Zweedse woonwarenhuis bijvoorbeeld zijn kastdeurtjes test door ze ontelbare keren mechanisch te openen en te sluiten, zo beweegt de proefopstelling in het lab de hartklep met een knijppijp in een continu tempo heen en weer. Het ding kan trouwens in zijn geheel een MRI-scanner in.

Bouten: “Alles wat we maken willen we zien. En wel live en levend. Vital imaging heet dat. Het volgen van allerlei processen in de tijd is een van de grote technische uitdagingen, die ervoor moet zorgen dat we precies kunnen zien wat de gevolgen van onze acties zijn, want er is nog weinig bekend over de reacties van een weefsel op belasting. Bij tissue engineering komt sowieso erg veel trial and error kijken. Ook willen we alles in drie dimensies zien en dus gebruiken we confocale microscopie, zodat we optisch plakjes van ons levende weefsel kunnen maken.”

Zwitserse alm

De vorige generatie hartkleppen zit in de proefdierfase, in schapen om precies te zijn. “Die staan op een alm in Zwitserland”, vertelt Bouten vrolijk. Er wordt dus samengewerkt met een Zwitserse groep. De hartkleppen die nu in de dieren zitten,  zijn nog getraind op de manier die het meest voor de hand lijkt te liggen: door ze eindeloos vaak open en dicht te laten gaan, wat ze immers daarna moeten kunnen. Bouten: “Maar nu laten we de klep zachtjes doorbuigen. Dat blijkt de beste manier te zijn om hem sterk te laten worden. Voor het buitenste laagje is het wel goed als je hem open en dicht laat gaan, maar niet voor het hele weefsel.” Trial and error, ze zei het al.

Spiertjes blijken goed te groeien op een soort klittenband en gaan dan ook samentrekken of ‘kloppen’ als je ze elektrisch prikkelt, hartcellen doen dat vaak vanzelf. “Die bloedvaatjes hier houden we continu op 37 graden”, vervolgt Bouten haar toer. “Die moet je steeds mechanisch stimuleren voor de juiste functie en de juiste structuur. We beginnen de wetmatigheden te pakken te krijgen van heel veel weefsels.”

En dat gebeurt niet alleen in zogenaamde bioreactoren –  kweekreactoren waarin weefsels allerlei prikkels krijgen toegediend – of in de proefdieren, er wordt ook veel met rekenmodellen gewerkt. “Ik heb zelf een experimentele achtergrond, maar met numerieke modellering kun je het aantal echte experimenten beperken, en daarmee versnel je het hele proces weer. Je kunt bijvoorbeeld van te voren met behulp van de computer de gevolgen doorrekenen van een aanname over de reactie van een weefsel op een belasting.”

Rooie plekken

Wat weefsel kan hebben, blijft een van de basisvragen. Antwoorden daarop kunnen van grote betekenis zijn voor mensen met doorligwonden, decubitus. Dat is een belangrijk project. “Als postdoc ben ik begonnen daar op celniveau naar te kijken”, vertelt Bouten, en ze schetst een nogal griezelig beeld van de gevaren van decubitus. “Schade ontstaat heel snel. Weefsel wordt geplet tussen je bot en het matras.We hebben daar een diermodel voor, en als je weefsel lokaal belast, kun je dat na twee uur al zien. Denk maar aan als je rooie plekken hebt op je elleboog, omdat je hebt liggen lezen, dat is al een eerste begin van decubitus. Nog omkeerbaar, een kwestie van gaan verliggen.”

“Stadium twee is dat het pijn gaat doen. Wij kijken overigens naar het spierweefsel, niet naar de huid. Dat raakt beschadigd en sterft vervolgens af, wordt necrotisch, als je niets doet. Dat afsterven gaat in veel gevallen van binnen naar buiten; je ziet het aan het huidoppervlak als het kwaad al is geschied. Het is dus niet alleen ‘als je hier drukt, doet het daar pijn’, maar ook ‘gaat het daar dood’. ”

Dat is kennis die in de operatiezaal direct gevolgen zou moeten hebben.  Bouten: “Operatietafels zijn hard. Als je daar uren stil op ligt, en dat gebeurt bij grote operaties, dan levert dat schade op die pas in een later stadium zichtbaar is. Het gebeurt nu vaak dat de wijkverpleging vervolgens de schuld krijgt van iemands doorligplekken, bijvoorbeeld na een heupoperatie, terwijl het tijdens de operatie al mis is gegaan. Zachte operatietafels zouden veel decubitus voorkomen. Daar wordt ook wel over gesproken, maar voordat zoiets echt doordringt…”

Schampere reactie

“Wat wij hier doen is vroege, diepe schade relateren aan markers. Cellen geven signalen af, roepen als het ware ‘help, ik heb het benauwd’ als de schade nog omkeerbaar is. Als we die markers bij patiënten kunnen meten, kunnen we ook de de preventie van decubitus verbeteren. Om diezelfde reden we ook de etiologie van drukwonden. Daar is nog erg weinig over bekend. Vaak wordt er aangenomen dat decubitus het gevolg is van ischemie, verminderde doorbloeding, maar het is eerder een kwestie van vervorming van het weefsel.”

“Er zijn stoffen waaraan je kunt zien dat belasting voor schade heeft gezorgd. Interleukines zijn bijvoorbeeld markers voor huidschade. Creatinekinase zie je omhoog gaan als spierweefsel kapot gaat. Nou blijkt dat een aantal reacties van bijvoorbeeld de huid op chemische stressoren ook ingezet kunnen worden voor het traceren van vroege decubitus. Je kunt er precies dezelfde markers voor gebruiken.”

Het werken op celniveau is duidelijk gesneden koek voor Carlijn Bouten. Toch mooi voor iemand die daar pas als postdoc in Engeland mee begon, en op een zondagochtend iets heel bijzonders zag onder de microscoop: beweging, een soort hapje uit de cel, het leek wel een hondenbot ofzo. De schampere reactie van het labhoofd, die van een doodnormale celdeling niet opkeek, bracht haar tot het voornemen nooit het enthousiasme van een student of collega  zo de kop in te drukken.

En eigenlijk is ze nog altijd onder de indruk van moeder natuur. “Bij de geboorte van mijn kinderen dacht ik: wat zitten we toch eigenlijk te prutsen in het lab. Als je ziet hoeveel moeite de simpelste dingen ons kosten, en als je dan kijkt naar zo’n kind dat in negen maanden helemaal af is.”