Bioprinten van kraakbeen voor gewrichtsherstel bij paarden biedt ook mogelijkheden in humane geneeskunde

Dierenarts René van Weeren doet onderzoek naar het ‘bioprinten’ van kraakbeen bij paarden. Schade aan kraakbeen wil de paardensport graag verhelpen. Maar ook voor oplossen van kraakbeenschade bij mensen biedt dit onderzoek perspectief, vertelt Van Weeren, hoogleraar aan de Universiteit Utrecht.

23 maart 2016

De meeste gezondheidsproblemen in de paardenwereld kom je tegen in het spier-skeletstelsel. Daarvan is beschadigd kraakbeen misschien wel de grootste boosdoener. Er zijn verschillende redenen voor het ontstaan van zo’n blessure, maar een goede oplossing of behandeling voor kraakbeenschade is er nog niet. René van Weeren, dierenarts bij de Universiteit Utrecht, zoekt naar een manier om kraakbeen te repareren. In eerste instantie bij paarden, maar eventueel hebben mensen ook baat bij dit onderzoek.

Waarom is onderzoek aan paardenkraakbeen zo belangrijk?

“Veruit de meeste dieren die we hebben gedomesticeerd zijn belangrijk vanwege hun producten. Maar bij het paard gaat het echt om de beweging: paarden werden ingezet in het leger, de landbouw, het transport, en nu vooral in de paardensport. Vergelijk het maar met sportgeneeskunde: het bewegingsapparaat van het paard is essentieel. Beschadigd gewrichtskraakbeen is een van de grootste oorzaken van slecht functioneren.”

Een paard wordt na behandeling op een speciale loopband geplaatst. Met camera’s en andere meetapparatuur houden de onderzoekers precies bij hoeveel druk er op de gewrichten staat en of alle benen gelijk worden belast.
Thomas Dobber

En die schade is niet te repareren?

“Kraakbeen is ingewikkeld spul. In tegenstelling tot bijna alle andere weefsels herstelt het zich bij volwassenen na beschadiging niet. Kraakbeencellen maken zeer langzaam nieuw collageen aan; je zou zo’n driehonderd jaar moeten wachten voor gewrichtskraakbeen volledig vernieuwd is. Dat het zo slecht herstelt weten we trouwens al sinds een publicatie erover in 1743, maar een oplossing is er nog steeds niet. Bij iemand met een gat in het kraakbeen worden nu vaak gaatjes geboord in het onderliggende bot, zodat cellen uit het beenmerg het gat kunnen opvullen met nieuw weefsel. Dan ontstaat echter altijd littekenweefsel dat een veel slechtere kwaliteit heeft dan het originele kraakbeen. Een andere optie is het hele gewricht vervangen door een kunstgewricht, maar kunstgewrichten zijn niet optimaal en hebben maar een beperkte levensduur. Wij zoeken naar een oplossing met stamcellen, zodat het kraakbeen zichzelf wél kan herstellen.”

iPS-cellen

Induced pluripotent stem cells (iPSC’s of ) zijn stamcellen die gemaakt worden uit volwassen huidcellen. Die stamcellen kunnen zich vervolgens specialiseren tot zeer uiteenlopende type cellen. Het voordeel van het gebruik van deze stamcellen is dat je ze kunt kweken van de patiënt zelf. Dat voorkomt problemen met het immuunsysteem.

Hoe gaat dat in zijn werk?

“Het idee is: kraakbeen kun je niet namaken, maar je kunt wel een biomateriaal (een zogenoemde scaffold) implanteren waar cellen in overleven die nieuw kraakbeen aanmaken. Daarvoor werken we samen met het Universitair Medisch Centrum Utrecht; zij werken met 3D-printers aan dat materiaal. Er zijn nog veel variabelen in dat onderzoek: je kunt kraakbeenstamcellen gebruiken, of algemenere iPS-cellen. Maar die cellen zijn lastig te kweken en kunnen problemen met het immuunsysteem geven. Daarom werken we binnen NIRM ook aan een biomateriaal met ‘vesikels’. Dat zijn blaasjes met stoffen, bijvoorbeeld RNA, die zorgen voor de communicatie tussen cellen. Als die vesikels je eigen kraakbeencellen ertoe kunnen aanzetten dat ze wél weer collageen produceren, heb je geen stamcellen meer nodig.”

Pijnloze slijtage

Schade aan gewrichtskraakbeen is in eerste instantie niet merkbaar: kraakbeenweefsel heeft geen zenuwen. Maar als er eenmaal beschadiging is opgetreden, slijt de rest van het kraakbeen ook sneller weg. En dat levert wel pijn op, omdat het onderliggende bot – dat wél heel goed van zenuwen voorzien, en dus heel gevoelig, is – dan bloot komt te liggen.

Zijn deze technieken al in de praktijk toegepast?

“Het groeien van de cellen in het biomateriaal kun je in vitro testen. Aan onze kant doen we de testen bij paarden. Gelukkig is het bij paarden veel makkelijker om allerlei dingen te meten dan bij klassieke proefdieren als een muis of rat. We maken dan een klein defect in het kraakbeen, waarna het paard de interventie met het geprinte biomateriaal krijgt. Vooraf, gedurende de proef, en achteraf onderzoeken we het paard grondig. We zetten het bijvoorbeeld op een loopband, waarbij we precies kunnen meten hoeveel kracht het zet op de grond, wat de hoeken in de gewrichten zijn, of welk been kreupel is. Met camera’s kunnen we de hele beweging analyseren. En met een soort kijkoperatie kunnen we zelfs visueel volgen of en hoe het kraakbeen zich herstelt. Biomarkers in de gewrichtsvloeistof vertellen ons of er een ontsteking is opgetreden, en of er extra collageen is aangemaakt of afgebroken.”

En?

“We zijn er nog lang niet: als we erin zouden slagen echt goed kraakbeenweefsel aan te maken, dan staan we zo op de rol voor de Nobelprijs. Het materiaal is nog steeds niet optimaal: bij een aantal proeven viel tegen dat het snel verdwenen was. De procedure moet nog verbeterd worden. Het is bij een paard lastig dat het geïmplanteerde materiaal meteen al op de proef gesteld wordt, want het dier belast zijn been al direct na de operatie als het gaat staan. Wat dat betreft zijn mensen makkelijker. Die kun je gewoon opdragen om een tijd plat te gaan liggen.”

Dit onderzoek biedt ook perspectief voor mensen met gewrichtsproblemen. Hoe groot is de stap van paard naar mens?

“Aan het begin van ons onderzoek hebben we gekeken naar de dikte, samenstelling en andere eigenschappen van kraakbeen van verschillende dieren. We hebben wel 120 dieren vergeleken van 58 zoogdiersoorten – dieren die in de dierentuin doodgaan, komen namelijk bij ons voor analyse. Wat bleek: het kraakbeen van veel dieren zwaarder dan een kilogram is heel vergelijkbaar. En van een paard en een mens ligt het type kraakbeen zeer dicht bij elkaar. Als reparatie bij het paard lukt, dan lukt het bijna vanzelfsprekend ook bij de mens. Daarom kunnen we ook hecht samenwerken met onderzoekers aan de humane kant, van het UMC Utrecht. Doelsoort voor dit onderzoek is niet alleen het paard, maar uiteindelijk ook de mens.”