Met nanomaterialen het gedrag van stamcellen beïnvloeden
Prof. dr. Sabine van Rijt (MERLN) onderzoekt hoe we met nanomaterialen het gedrag van stamcellen kunnen beïnvloeden. Met haar leerstoel ‘Anorganische nanomaterialen voor regeneratieve geneeskunde’ ontwikkelt ze een tool box om te komen tot de materialen, structuren en signalen waarmee het herstel van beschadigd weefsel optimaal kan worden gefaciliteerd. Van Rijt: “Ik wil begrijpen welke signalen het beste bijdragen aan het gedrag van stamcellen. Het is fundamenteel onderzoek en we kijken heel breed. Dat vind ik belangrijk. Uiteindelijk zal onze kennis op veel onderzoeksterreinen toepasbaar zijn en impact maken”.
In het onderzoek van Sabine van Rijt zijn twee elementen altijd aanwezig: stamcellen en nanodeeltjes. Steeds met als overkoepelend idee om met die nanodeeltjes het gedrag van stamcellen te beïnvloeden. Van Rijt: “Stamcellen vormen de basis van de regeneratieve geneeskunde. Ze hebben precies de eigenschappen die nodig zijn voor weefselherstel; ze kunnen ze zichzelf vernieuwen, vermeerderen en differentiëren en beschikken bovendien over ontstekingsremmende kwaliteiten. Stel je breekt een bot. Stamcellen krijgen dan het signaal dat er een botbreuk is en migreren naar de plek van de breuk. Daar gaan ze zich vermenigvuldigen waardoor ze het bot herstellen.
In ons onderzoek voegen we nanodeeltjes toe aan stamcellen. Dit zijn heel kleine deeltjes die precies in die biologische schaal zitten die interactie met cellen mogelijk maakt. Ze zijn klein genoeg om door een cel opgenomen te worden en groot genoeg om er iets – een signaal - in te doen, zoals DNA, een eiwit of een medicijn waarvan we hopen dat die op een bepaalde plek een gewenste activiteit gaat uitvoeren.”
Stamcellen gidsen
Haar inaugurele rede kreeg de titel: De omgevingen die ons vormen: cellen gidsen met interactie. Van Rijt: “Ik maak in mijn onderzoek gebruik van verschillende manieren om stamcellen te gidsen – als een toolbox. Het gaat zowel om het creëren van structuren waarbinnen stamcellen zich goed voelen, om het gebruik van nanodeeltjes om aan de stamcellen specifieke boodschappen mee te geven als om het volgen van stamcellen in het lichaam om te kijken of ze op de goede plek uitkomen en of ze daar ook gaan doen wat we willen”.
Het creëren van synthetische structuren
Van Rijt: “Stamcellen zijn voor het herstel van beschadigd weefsel enorm belangrijk, maar wanneer je ze simpelweg injecteert, overleven ze vaak niet. Ze willen niet een beetje rondzweven, maar hebben een structuur nodig. In het lichaam zitten cellen ook in een structuur; een weefsel of extracellulaire matrix. Stel dat er een groot stuk bot weg is, te groot voor de stamcellen om zelf te repareren. Dan willen we op de plek van de botbreuk een structuur kunnen plaatsen. Als de stamcellen zich goed voelen in de matrix en zich gaan vermenigvuldigen, gaan ze vervolgens ook zelf matrices maken en uiteindelijk het bot herstellen. Om dit tot stand te brengen bouwen we dit soort structuren na.
Daarbij proberen we erachter te komen wat we precies in de structuur moeten stoppen om stamcellen te laten ‘plakken’. Een best ingewikkeld proces omdat er verschillende componenten van belang zijn die per weefseltype kunnen verschillen: het materiaal, de sterkte van de structuur en hoe die reageert op druk. Voor botweefsel is bijvoorbeeld een andere stijfheid nodig dan voor leverweefsel. Veel van het werk in het onderzoeksveld van de biomaterialen gaat om het maken dit soort synthetische structuren. Als we hier goed in slagen zijn we minder afhankelijk van donorweefsel en dat is gunstig vanwege minder afstotingsgevaar en betere beschikbaarheid”.
We kijken ook of de stamcellen daadwerkelijk de specifieke taak gaan doen die we voor ogen hebben. Ik noem dit ‘luisteren naar stamcellen.
Signalen meegeven
Van Rijt: “In de begintijd van het vakgebied, ging men nog uit van een nagebouwde matrix waarbinnen de cellen alles zelf moesten doen. We weten nu dat er meer nodig is en dat je die stamcel ook kunt sturen. Blijven plakken is een belangrijke eerste stap, maar uiteindelijk willen we dat stamcellen gaan differentiëren en een specifieke taak gaan uitvoeren. Bij het maken van een synthetische matrix met polymeren – of hydrogels - voegen we dan ook nanodeeltjes toe die een bepaalde bioactiviteit, een signaal, aan de stamcellen kunnen meegeven. Daarvoor hoeven we alleen maar naar het biologisch systeem te kijken; signalen geven waar de stamcel op reageert is iets wat het lichaam vanzelf doet, zoals in het voorbeeld dat ik noemde van de botbreuk. Diezelfde signalen kunnen we ook in die nanodeeltjes doen om die actie te versterken. We kijken dus heel goed naar de signalen die het lichaam zelf meegeeft aan stamcellen en welke daarin het belangrijkste zijn.
Naast het kijken welke signalen de stamcellen nodig hebben onderzoeken we ook hoe we die op de beste manier kunnen geven. Daarbij werken we met allerlei materialen zoals eiwitten en ionen, maar ook groeifactoren en genetisch materiaal.
Bloedvatregeneratie is een belangrijk signaal om mee te geven, vaak is het zelfs het eerste signaal dat nodig is, als een soort kwartiermaker. De meeste weefsels hebben immers bloedvaten zodat er voeding bij kan komen. Als je alleen maar botgroei simuleert en er geen bloedvaten in integreert, wordt het geen goed functioneel bot. De vraag bij alles wat we doen is steeds: wat heb je minimaal nodig voor regeneratie? Wij hoeven niet alle signalen mee te geven maar precies die die de regeneratie op gang brengen”.
Tracing
Van Rijt: “Naast het geven van signalen aan de stamcellen om specifieke taken te verrichten, kijken we ook of ze dat daadwerkelijk gaan doen. Ik noem dit ‘luisteren naar stamcellen’. Om dit te kunnen doen, geven we de nanodeeltjes een kleur, waardoor we ze in het lichaam kunnen volgen (tracen). Ook is het mogelijk om de nanodeeltjes te vullen met medicijnen - theranostics – waardoor we kunnen zien of een medicijn op de goede plek wordt geleverd en wat er vervolgens gebeurt - hoe effectief dat is”.
Impact
Van Rijt: “Uiteindelijk kunnen we met dit onderzoek op veel terreinen impact hebben. Als voorbeeld maak ik vaak gebruik van botweefsel, omdat wij daar veel mee doen, maar uiteindelijk zijn onze materialen toepasbaar voor alle organen. Omdat ik zelf fundamenteel ben opgeleid, vind ik het heel interessant om te begrijpen welke signalen het beste bijdragen aan het gedrag van stamcellen. Een soort regels ontdekken van ‘als je dit toevoegt aan je materiaal dan krijg je deze reactie van de stamcel’. Meer kennis genereren om betere materialen te ontwikkelen die eindelijk gebruikt kunnen worden om mensen te helpen. Dat als er een stuk orgaan weg is, je op die plek een synthetisch materiaal kan injecteren die daar blijft zitten, de hele regeneratie op gang brengt en dan op een goed moment weer weg gaat. Eigenlijk is dat het hele idee van het biomaterialenveld”.
Tekst: Eline Dekker
Foto: Joey Roberts