- 3D-printen
- Vertaald met AI
Vervangend voor dierproeven – nu helemaal zonder dierenleed
Eerste weefselmodel van de lever volledig gemaakt zonder materialen van dierlijke oorsprong
Wetenschappers op de bioprinter
Een muis is geen mens. Deze vaststelling maakt het voor biomedisch onderzoek zo moeilijk om bevindingen uit dierproeven op ons over te dragen. Wetenschappers werken daarom aan vervangingsmethoden voor dierproeven, die idealiter helemaal zonder materialen van dierlijke oorsprong kunnen. Dat stelt de muis ook gerust.
3D-weefselmodellen afdrukken
Wetenschappers van de TU Berlijn hebben met behulp van 3D-bioprinting voor het eerst een model van de lever uit menselijke cellen gemaakt, zonder gebruik te maken van materialen van dierlijke oorsprong. Dit succes is een belangrijke stap richting biomedisch onderzoek en onderwijs dat volledig op methoden zonder dierenleed is gebaseerd. Tot nu toe werd het zo gedaan dat vervangingsmethoden voor dierproeven bijvoorbeeld voedingsoplossingen gebruikten die uit de urine van kalfjes werden gewonnen. En onder andere voor het 3D-printen van orgaanmodellen waren tot nu toe structuurvormende stoffen nodig die uit tumoren afkomstig zijn, die in muizen worden gekweekt. Naast deze ethische aspecten verbetert biomedisch onderzoek zonder dierlijke componenten ook de overdraagbaarheid van de resultaten op de mens – wat hoop geeft op snellere successen bij de ontwikkeling van medicijnen.
„In Duitsland is het eigenlijk verboden om zwangere koeien te slachten“, legt Prof. Dr. Jens Kurreck uit, hoofd van de afdeling Toegepaste Biochemie aan de TU Berlijn. Als een zwangerschap niet wordt herkend vóór de slacht, is het gebruikelijk om het bloed van het kalfje af te nemen. Dit bevat namelijk veel stoffen die de groei stimuleren en daarom ideaal zijn voor de vermeerdering van cellen in biologisch onderzoek. Het uit het bloed verkregen „fetaal kalfserum“ is een standaardproduct in elk celkweeklaboratorium.
Waarschijnlijk meer dan twee miljoen kalfjes per jaar
„Er bestaan slechts ruwe schattingen over het aantal kalfjes dat hiervoor wordt gebruikt. Een publicatie uit 2021 gaat uit van wereldwijd twee miljoen, en sindsdien is het verbruik van fetaal kalfserum eerder toegenomen“, zegt Kurreck. Een groot deel hiervan komt uit slachtingen buiten de EU en kan daarom slecht worden gecontroleerd door Duitse of Europese instanties. „Omdat kalfserum zo goed geschikt is voor de kweek van cellen, wordt het natuurlijk ook gebruikt door onderzoekers die met behulp van celkweek dierproeven willen vervangen. Dus tot voor kort ook door ons.“
Omdat de onderzoeksgroep van Jens Kurreck de voor de productie van orgaanmodellen ter vervanging van dierproeven veelbelovende technieken van 3D-bioprinting gebruikt, moesten de wetenschappers tot nu toe ook nog terugvallen op een tweede dierlijk product dat uit speciaal daarvoor gekweekte dieren wordt gewonnen. „Met behulp van 3D-printing kunnen we uit menselijke cellen kleine, driedimensionale orgaanmodellen maken die zelfs kunstmatige bloedvaten kunnen bevatten. Hiervoor hebben we stoffen nodig zoals laminine en collageen, die deze structuren de benodigde stevigere structuur geven dan bij normale celkweek“, legt de onderzoeker uit. Ze komen in hoge concentraties voor in een speciale vorm van de zogenaamde extracellulaire matrix, die de cellen in het lichaam van mensen en dieren vezelachtig omgeeft en het contact tussen hen regelt.
Deze stof wordt gewonnen met de afkorting BME (voor „Basement Membrane Extract“) uit tumoren die in muizen worden gekweekt. „Aan het eind weegt zo'n tumor ongeveer vier gram, bij een lichaamsgewicht van misschien twintig gram. Aan dit verhoudingsverhaal zie je al dat deze methode een aanzienlijke belasting voor het dier betekent.“ Omdat de structuurversterkende stoffen uit BME ook routinematig in andere celkweeklaboratoria worden gebruikt voor verschillende toepassingen, zou het aantal gebruikte dieren voor de productie zeker in de duizenden lopen, zegt Jens Kurreck.
Dierlijke componenten maken onderzoek minder betrouwbaar
Menselijke cellen die worden gevoed met bloedserum uit kalfjes en gestimuleerd tot vermeerdering, waaruit vervolgens menselijke orgaanmodellen worden geprint met behulp van stoffen uit muizentumoren: „Als je deze productiestappen voor ogen houdt, zie je eigenlijk al dat er een potentieel voor fouten bestaat wanneer je op basis van experimenten met deze orgaanmodellen wilt afleiden wat er in het menselijk lichaam gebeurt“, legt Kurreck uit. En daarbij zijn de orgaanmodellen uit menselijke cellen in principe veel beter in hun voorspellende kracht dan bijbehorende dierproeven, als het om dezelfde vraag gaat. Hier worden bijvoorbeeld ook menselijke tumorcellen in dieren ingebracht. Deze menselijke cellen bevinden zich dan nog steeds in dierlijk weefsel als omgeving en communiceren ook met deze dierlijke cellen, wat de overdracht van de bevindingen op de mens zeer bemoeilijkt.
Daarnaast, zo voegt Kurreck toe, varieert de exacte samenstelling van dierlijke producten zoals bijvoorbeeld het fetaal kalfserum voortdurend. Men kan dus niet vertrouwen op de consistentie, bijvoorbeeld dat één batch hetzelfde groeistimulerende effect heeft als een andere. „Negenennegentig procent van alle veelbelovende kandidaten voor medicijnen die in het lab en in dierproeven worden getest, faalt uiteindelijk bij de proef op mensen. Wil men hierin verbeteren, dan moet het doel zijn om uiteindelijk volledig zonder dierproeven en ook zonder dierlijke hulpstoffen te werken.“
Met het eerste weefselmodel van de lever, volledig zonder materialen van dierlijke oorsprong, is het de doctoraalstudent Ahmed Ali en andere leden van de werkgroep van Jens Kurreck gelukt een grote stap in die richting te zetten. Zij hebben daarvoor het fetaal kalfserum vervangen door een chemisch precies gedefinieerd voedingsmedium van groeifactoren, insuline, selenium, suikers en zouten. „We moesten dit voedingsmedium niet alleen aanpassen aan het specifieke type menselijke levercellen dat we gebruikten, maar ook de cellen in een langzaam proces wennen aan de nieuwe omgeving“, vertelt Kurreck. De uitgangscellen voor het begin van het experiment werden natuurlijk nog geleverd door een bedrijf dat kalfserum gebruikte voor de vermeerdering.
Als vervanging voor het structuurversterkende mengsel BME uit muizentumoren gebruikten de wetenschappers humaan collageen uit placenta’s, die in Woonhospitals in Wenen na bevallingen anders als afval zouden worden afgevoerd. „Wat zo eenvoudig klinkt, was in de praktijk een complex aanpassingsproces dat veel experimenteren en ook een uitgebreide literatuurstudie vereiste“, zegt Jens Kurreck. Zo moesten bijvoorbeeld de plastic schaaltjes waarin de cellen werden gekweekt, extra worden gecoat met humaan collageen uit placenta’s om een vergelijkbare goede hechting te bereiken als bij de gebruikelijke methode.
Testresultaten bevestigen de gelijkwaardigheid van de diervrije methode
Om haar nieuwe, diervrije levermodel te testen, hebben de onderzoekers het in contact gebracht met de giftige stof okadaïzuur, die door algen wordt geproduceerd, zich in mosselen ophoopt en kan leiden tot ernstige visvergiftigingen. Het bleek dat tweedimensionale geprinte structuren van de cellen dezelfde gevoeligheid vertoonden voor de giftige stof, ongeacht of ze met de oude of de nieuwe stoffen van dierlijke oorsprong waren gekweekt en geprint. Een driedimensionaal weefselmodel van de lever vertoonde eveneens de door de onderzoekers verwachte gevoeligheid voor deze stof.
Overdracht naar de praktijk door interdisciplinaire aanpak
Dat hun nieuwe, diervrije methode niet alleen snel een weg vindt naar de praktijk, maar ook breed wordt toegepast, zien de betrokken wetenschappers optimistisch. Want met Albert Braeuning van het Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR), de nationale instantie voor voedselveiligheid, was niet alleen een potentiële gebruiker van de methode direct betrokken bij de huidige publicatie. Ook het vakgebied Voedselbiotechnologie en -procestechniek van de TU Berlijn onder leiding van Prof. Dr. Cornelia Rauh heeft met het meten van mechanische parameters van de nieuwe 3D-bioprintinkt bijgedragen aan de studie. De wetenschappers daar werken samen met de werkgroep van Jens Kurreck ook aan gekweekt vlees voor menselijke voeding, waarvoor eveneens kweekmethoden zonder fetaal kalfserum nodig zijn. Een toekomstige optimalisatie van de diervrije methode wordt nagestreefd in samenwerking met het vakgebied Bioverfahrenstechnik van de TU Berlijn onder leiding van Prof. Dr. Peter Neubauer. Zo zouden bijvoorbeeld de humane collageenen in de toekomst mogelijk door gistcellen in de benodigde hoeveelheden kunnen worden geproduceerd – of in de verre toekomst zelfs direct uit menselijke celkweken.
Technische Universität Berlin
10587 Berlin
Duitsland
