Anthony Atala: Een menselijke nier afdrukken

We zitten tegenwoordig met een grote gezondheidscrisis in termen van een tekort aan organen. We leven langer. De geneeskunde heeft er veel toe bijgedragen dat we langer leven. En het probleem is dat, naarmate we ouder worden, onze organen vaker de neiging hebben om het te laten afweten. En dus zitten we nu met een tekort aan organen. In feite is de laatste 10 jaar het aantal patiënten die een orgaan nodig hebben, verdubbeld, terwijl terzelfder tijd het aantal transplantaties nauwelijks gestegen is. Daarom hebben we nu een volksgezondheidscrisis.

Daar zou dit gebied dat we het gebied van de regeneratieve geneeskunde noemen, ons ter hulp moeten komen. Het doet beroep op veel verschillende disciplines. Je maakt eigenlijk gebruik van een soort sjablonen, biomaterialen - ze lijken op een stukje van je blouse of hemd - maar het zijn specifieke materialen die je kan implanteren bij patiënten en zij zullen dat goed doen en je helpen regenereren. Of we kunnen alleen gebruik maken van cellen, ofwel je eigen cellen of andere stamcellenpopulaties. Of we kunnen gebruik maken van beide; we kunnen daadwerkelijk biomaterialen en cellen samen gebruiken. Dat is de huidige stand van zaken.

Maar het is eigenlijk geen nieuw gebied. Interessant genoeg is dit een boek dat gepubliceerd werd in 1938. Het is getiteld "De Cultuur van Organen." De eerste auteur, Alexis Carrel, is een Nobelprijswinnaar. Hij bedacht eigenlijk een aantal technologieën die we tot op vandaag gebruiken voor het hechten van bloedvaten. Sommigen van de bloedvattransplantaties die we nu gebruiken werden daadwerkelijk ontworpen door Alexis. Maar merk ook zijn coauteur op: Charles Lindbergh. Dat is dezelfde Charles Lindbergh die daadwerkelijk de rest van zijn leven besteedde aan het werken met Alexis aan het Rockefeller Instituut in New York op het gebied van de cultuur van organen.

Dus als het gebied al zo lang bestaat, waarom hebben we dan zo weinig klinische vooruitgang gezien? Dat heeft echt te maken met veel verschillende uitdagingen. Maar als ik er drie mag aanwijzen, dan is de eerste de ontwikkeling van materialen die in je lichaam goed zouden blijven. Na veel vooruitgang kunnen we dat nu vrij gemakkelijk doen. De tweede uitdaging waren cellen. We konden niet genoeg cellen oogsten om ze buiten het lichaam te laten groeien. In de afgelopen 20 jaar zijn we daarmee bezig geweest. Veel wetenschappers kunnen nu veel verschillende soorten cellen laten groeien - en daarbij hebben we stamcellen. Maar zelfs nu in 2011 zijn er nog steeds bepaalde cellen die we niet kunnen kweken uit cellen van de patiënt. Levercellen, zenuwcellen, pancreatische cellen - kunnen we vandaag de dag nog steeds niet kweken. De derde uitdaging is vasculariteit, de feitelijke toelevering van bloed om de organen of weefsels in leven te houden zodra we ze gaan regenereren.

We kunnen nu gebruik maken van biomaterialen. Dit is een biomateriaal. We kunnen het weven, breien of maken zoals je hier ziet. Dit werkt als een soort suikerspinmachine. Je zag de spray erin gaan. Net als met de vezels van een suikerspin krijgen we deze structuur, deze buisvormige structuur. Dat is een biomateriaal dat we dan kunnen gebruiken om je lichaam te helpen regenereren met behulp van je eigen cellen. En dat is precies wat we hier deden.

Dit is eigenlijk een patiënt met een afgestorven orgaan. We maakten een van deze slimme biomaterialen, dat we vervolgens gebruikten om het weefsel van de patiënt te vervangen en te repareren. We gebruikten het biomateriaal eigenlijk als een brug zodat de cellen in het orgaan langs die weg de kloof konden overbruggen om dat weefsel te regenereren. Je ziet hier deze patiënt nu zes maanden later. Op een röntgenfoto zie je het geregenereerde weefsel, dat volledig geregenereerd blijkt als je het onderzoekt onder de microscoop. We kunnen ook gebruik maken van cellen alleen. Dit zijn cellen die we verkregen. Stamcellen die we maken uitgaande van specifieke bronnen, en we kunnen hen hartcellen laten worden. Al in de cultuur beginnen ze te kloppen. Ze weten wat van hen verwacht wordt. De cellen weten genetisch wat te doen, en ze beginnen samen te kloppen. Vandaag nu, gebruiken veel klinische studies al verschillende soorten stamcellen voor hartziekten. Dat wordt nu al in patiënten toegepast.

Of als we nu grotere structuren gaan gebruiken om grotere structuren te vervangen, kunnen we gebruik maken van de eigen cellen van de patiënt, of een of andere celpopulatie, samen met de biomaterialen, de sjablonen, zeg maar. Hier is het concept: als je een afgestorven of gewond orgaan hebt, dan nemen we een heel klein stukje van dat weefsel, minder dan de helft van de grootte van een postzegel. We trekken de cellen zachtjes van elkaar en kweken ze buiten het lichaam. Wij nemen dan zo'n sjabloon, een biomateriaal -- lijkt heel erg op een stukje van je blouse of hemd. Vervolgens brengen we dat materiaal in een vorm, en gebruiken we deze cellen om dat materiaal laag na laag op te vullen - lijkt wat op het bakken van een laagjescake, als je wil. We plaatsen dat vervolgens in een oven-achtig apparaat, en zijn zo in staat om die structuur te maken en eruit te halen. Dit is eigenlijk een hartklep die we zo hebben gemaakt. En hier kan je zien dat we de structuur van de hartklep hebben ingezaaid met cellen, en dan gaan we ze trainen. Zo zie je hier de blaadjes van deze hartklep openen en sluiten -- dat zit nu in een experimentele fase om het klaar te krijgen te krijgen voor verdere studies.

Een andere technologie die we hebben gebruikt bij patiënten gaat over blazen. We nemen een heel klein stukje van de blaas van de patiënt - minder dan de helft van de grootte van een postzegel. Dan kweken we de cellen buiten het lichaam, nemen een sjabloon, overdekken hem met de cellen - de eigen cellen van de patiënt, twee verschillende celtypes. We brengen dat in dit oven-achtig apparaat. In dezelfde omstandigheden als in het menselijk lichaam - 35 graden Celsius, 95 procent zuurstof. Een paar weken later krijg je zo een kunstorgaan dat we terug in de patiënt kunnen implanteren. Voor deze specifieke patiënten naaien we deze materialen alleen maar in. We maken gebruik van drie-dimensionale beeldanalyse, maar deze biomaterialen werden eigenlijk handgemaakt.

Maar we hebben nu betere manieren om deze structuren met cellen te creëren. We gebruiken nu een soort van technologieën, waar we voor vaste organen, zoals de lever bijvoorbeeld, afgekeurde levers gebruiken. Zoals je weet worden veel organen weggegooid, niet gebruikt. We kunnen deze leverstructuren, die toch niet gebruikt zullen worden, in een soort wasmachine stoppen, waarmee de cellen worden weggespoeld. Twee weken later, heb je iets dat lijkt op een lever. Je kan het vasthouden als een lever, maar het bevat geen cellen meer, het is gewoon een skelet van een lever. En dan kunnen we die lever weer laten volgroeien met cellen, en zo de bloedvatenboom behouden. Dus laten we eigenlijk eerst de bloedvatenboom met bloedvatcellen van de patiënt zelf volgroeien, vervolgens infiltreren we het parenchym met levercellen. En zo zijn we nu in staat geweest om deze afgelopen maand de creatie van menselijk leverweefsel te laten zien alleen maar met behulp van deze technologie.

Een andere technologie die we hebben gebruikt, is eigenlijk die van de het printen. Dit is eigenlijk een inkjetprinter, maar in plaats van van inkt gebruiken we cellen. Je ziet hier de printkop heen en weer gaan en deze structuur afdrukken. Dat duurt ongeveer 40 minuten. Er is een 3D-lift die tegelijkertijd laag per laag naar beneden gaat telkens als de printkop voorbijkomt. Zo kan je dan die structuur eruithalen. Je kan hem uit de printer halen en vervolgens implanteren. Op deze dia zie je een stukje bot gemaakt met een zo'n printer en geïmplanteerd zoals je hier ziet. Dat was helemaal nieuw bot, geïmplanteerd met behulp van deze technieken.

Een andere, meer geavanceerde technologie waar we nu naar op zoek zijn voor onze volgende generatie van technologieën, zijn meer geavanceerde printers. Deze bijzondere printer die we nu ontwerpen, is er een waarmee we op de patiënt zelf printen. Dus wat je hier ziet - Ik weet dat het grappig klinkt, maar dat is de manier waarop het werkt. Zo gaat het: de patiënt met de wond ligt op het bed, en je hebt een scanner, in principe een flatbed scanner. Dat is wat je hier aan de rechterkant ziet: scannertechnologie waarmee je eerst de wond van de patiënt scant en dan vervolgens met de printkoppen de lagen die je nodig hebt op de patiënten zelf "afdrukt".

Dit is hoe het eigenlijk werkt. Hier is de scanner bezig met het scannen van de wond. Als ze eenmaal is gescand, stuurt ze informatie naar de juiste lagen van cellen waar ze moeten zijn. En nu ga je hier een demo zien van hoe dit in zijn werk gaat bij een typische wond. Dit doen we eigenlijk met een gel, zodat je het gelmateriaal kan wegnemen. Zodra die cellen zich op de patiënt bevinden, zullen ze blijven plakken waar ze moeten zijn. Maar dit is een nieuwe technologie nog in ontwikkeling.

We werken ook aan meer geavanceerde printers. Omdat in werkelijkheid onze grootste uitdaging de vaste organen zijn. Ik weet niet of je je dat realiseert, maar 90 procent van de patiënten op de transplantatielijst wacht eigenlijk op een nier. Elke dag sterven patiënten omdat we er niet genoeg hebben. Dit is een grotere uitdaging - groot orgaan, vasculair, met veel bloedvaten, en veel cellen. De strategie is hier - Dit is eigenlijk een CT-scan, een röntgenfoto - en we gaan laag voor laag, met behulp van gecomputeriseerde morfometrische beeldvormingsanalyse en 3D-reconstructie, door tot aan de nieren van de patiënt. We zijn dan in staat zijn om ze daadwerkelijk in beeld te brengen, een 360 graden-rotatie te doen om de nier te analyseren met zijn volledige volumetrische kenmerken. Vervolgens kunnen wij deze informatie dan opnemen en ze scannen voor computer printing. Zo gaan we laag per laag door het orgaan, elke laag analyserend. Dan sturen wij die informatie via de computer en ontwerpen het orgaan voor de patiënt. Dit toont de printer. En dit hier laat het printen zien.

We hebben de printer meegebracht. Je kan hem hier backstage zien. Dat is nu de eigenlijke printer, die bezig was met het printen van de nierstructuur die je hier ziet. Het duurt ongeveer zeven uur om een nier te printen, deze is er nu ongeveer drie uur mee bezig. Dr. Kang komt nu het podium op, en gaat je een van deze nieren tonen die we een beetje eerder vandaag hebben geprint. Even een paar handschoenen aandoen. Dank je. Wat achteruit gaan. Deze handschoenen zijn mij een beetje te klein, maar hier is het. Hier zie je die nier die eerder vandaag werd geprint.

(Applaus)

Heeft al een beetje stevigheid. Dit is Dr. Kang, die met ons werkt aan dit project, en deel uitmaakt van ons team. Dank u, Dr. Kang. Dat waardeer ik.

(Applaus)

Dit is eigenlijk een nieuwe generatie. Dit is de eigenlijke printer die je hier ziet op het podium. Een nieuwe technologie waar we nu aan werken. In werkelijkheid zijn we hier al langer mee bezig. Ik ga een clip tonen over de technologie van een tijdje terug.

Een zeer korte clip - slechts ongeveer 30 seconden - over een patiënt die daadwerkelijk een orgaan kreeg.

(Video) Luke Massella: Ik was echt ziek. Ik kon nauwelijks uit bed komen. Ik kon niet naar school. Het was erg ellendig. Ik kon niet naar buiten om basketbal te spelen tijdens de vakantie zonder het gevoel te hebben dat ik ging flauwvallen als ik terug binnenkwam. Ik voelde me zo ziek. Ik werd eigenlijk geconfronteerd met het vooruitzicht op een levenslange dialyse, en ik wil er niet eens aan denken hoe mijn leven eruit zou zien als dat zou gebeuren. Na de operatie werd mijn leven een stuk beter. Ik was in staat om meer dingen te doen. Zelfs om op de middelbare school te gaan worstelen. Ik werd de kapitein van het team, dat was geweldig. Ik kon een normaal kind zijn met mijn vrienden. En omdat ze deze blaas bouwden met mijn eigen cellen, zal ik ze kunnen blijven houden. Ik heb ze voor het leven, dus ik ben helemaal klaar.

(Applaus)

Juan Enriquez: Deze experimenten werken soms, en het is erg cool wanneer ze dat doen. Kom, Luke.

(Applaus)

Dus Luke, afgezien van gisterenavond, hoelang is het geleden dat je Tony hebt gezien?

LM: 10 jaar geleden, toen ik mijn operatie had - en het is echt geweldig om hem terug te zien.

(Gelach)

(Applaus)

JE: Vertel ons een beetje over wat je nu doet.

LM: Ik ben nu op de Universiteit van Connecticut. Ik ben tweedejaars en studeer communicatie, TV en massamedia. En probeer te leven als de gewone jongen, die ik altijd al wilde zijn. Maar dat was moeilijk toen ik werd geboren met spina bifida en mijn nieren en blaas niet werkten. Ik onderging ongeveer 16 operaties, en het leek onmogelijk om dat te doen toen ik 10 was en een nierfalen kreeg. Toen werd deze operatie mogelijk. Ze maakte me tot wie ik nu ben en redde mijn leven.

(Applaus)

JE: En Tony heeft er zo honderden als deze behandeld?

LM: Wat ik ervan weet is dat hij in zijn lab heel hard werkt en straffe dingen uitvindt. Ik weet dat ik een van de eerste 10 mensen was die deze operatie ondergingen. Als 10-jarige besefte ik niet hoe geweldig dat was. Ik was een kleine jongen was, en was zo van: "Tja. Goed dan. Ik zal mij maar laten opereren." (Gelach) Het enige wat ik wou was beter worden, en ik besefte niet hoe geweldig dat was, totdat ik ouder werd en de geweldige dingen zie die hij doet.

JE: Als je plots deze oproep kreeg -- Tony is echt verlegen -- en er was heel wat gepalaber nodig om iemand zo bescheiden als Tony zover te krijgen om Luke naar hier te halen. Dus Luke, toen je je communicatieprofessoren -- je hoofdvak is communicatie -- om toestemming vroeg om naar TED te komen, wat misschien een beetje te maken heeft met communicatie, wat was toen hun reactie?

LM: De meeste van mijn professoren waren helemaal voor, en ze zeiden: "Breng foto's mee en toon mij de clips online," en "Ik ben blij voor je." Er waren er een paar die een beetje koppig waren, waar ik wat moest op inpraten. Ik heb ze even apart genomen.

JE: Nou, het is een eer en een voorrecht om je te ontmoeten. Dank je wel. (LM: Dank je wel.)

JE: Dank je wel, Tony.

(Applaus)