Nieuwe troef ontdekt voor orgaanherstel: de kromming van de omgeving

Een bal, een zadel of een platte plaat. De kromming van biomaterialen remt of stimuleert botcellen om nieuw weefsel aan te maken. Dat laten ingenieurs van de TU Delft zien in een onderzoek dat vrijdag 3 maart in Nature Communications verschijnt. Deze studie van geometrieën kan een belangrijke stap zijn in het onderzoek naar herstel van beschadigde weefsels.

Levende cellen kunnen de geometrie van hun omgeving waarnemen en reageren erop. ‘Cellen voelen en reageren op de geometrie van de oppervlakken waaraan ze worden blootgesteld. Afhankelijk van hun kromming kunnen oppervlakken cellen aanmoedigen om nieuw weefsel aan te maken of hen ervan weerhouden dat te doen,’ zegt Amir Zadpoor, hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica, supervisor van het onderzoek. ‘Stimulerende krommingen, die gemaakt zijn door een 3D-printer, zijn een gemakkelijke en veilige manier om weefselgroei te bevorderen. Vergeleken met bijvoorbeeld medicijnen zijn ze ook veel goedkoper.’

In petrischalen lieten de onderzoekers botcellen groeien, omgeven door kleine vormpjes gemaakt van biomateriaal waarmee de onderzoekers ervaring hebben. Afhankelijk van de krommingen in de vormpjes, hadden de cellen de neiging om op verschillende manieren te groeien, zich te delen en weefsel te vormen.

Liever languit dan gebogen

Binnen het onderzoek was eerste auteur Sebastien Callens verantwoordelijk voor de experimenten en de analyse. ‘Cellen hebben ook een skelet, dat bestaat uit vezels die meer of minder op spanning staan. Hoe de spanning zich opbouwt in die vezels, beïnvloedt het gedrag van cellen sterk. Uit onze studie blijkt dat cellen hun spanningsvezels collectief afstemmen op de krommingen die ze ervaren, zodat ze zo min mogelijk hoeven te buigen. Ik kon zien dat cellen liever languit uitlijnen dan buigen.’

Budget aan zadelkromming

Je kunt niet alleen zadelvormige krommingen rond cellen hebben. Zoals de drie hoeken van een driehoek altijd samen 180 graden bedraagt, moet ook de som van alle krommingen gelijk zijn aan enkele fundamentele getallen. ‘Je hebt altijd een beperkt budget aan zadelvormen,’ zegt Zadpoor. ‘Als je ergens te veel negatieve kromming gebruikt, moet je ergens anders positieve krommingen gebruiken om de som constant te houden. Je moet je budget aan zadelkrommingen verstandig gebruiken om maximale weefselregeneratie te stimuleren.’

Nieuwe biomaterialen

De studie biedt een leidraad voor de optimale geometrie van biomaterialen en implantaten om de weefselregeneratie te maximaliseren. De benodigde complexe geometrische ontwerpen worden maken met zeer nauwkeurige 3D-printtechnieken gemaakt, om de vormen zo klein te maken dat ze voor cellen waarneembaar zijn. Callens: ‘We hebben nu nieuwe spelregels ontdekt waarmee biomaterialen weefselgroei kunnen stimuleren. In vervolgonderzoek gaan we proberen die regels optimaal toe te passen.’