Met deze slimme biomaterialen is het menselijk lichaam te repareren

Vroeger droomde ik altijd een superkracht te bezitten waarmee ik zieke mensen beter zou kunnen maken. Vier jaar geleden kregen we te horen dat mijn vader een openhartoperatie moest ondergaan omdat de bloedvaten rondom zijn hart voor meer dan 90 procent verstopt zaten. Iedere dag sterven er 103 mensen aan hart- en vaatziektes in Nederland. Mijn familie heeft erg veel geluk gehad dat we er zo snel bij waren. Mijn vader kreeg vier omleidingen en is nu weer gezond.

Ik denk dat velen van jullie het ook wel eens meegemaakt hebben, dat naasten ziek worden doordat de organen in hun lichaam niet meer goed functioneren. Of het nu komt door een ongeluk, ziekte of ouderdom, organen kunnen ons in de steek laten. Als biomedisch ingenieur zoek ik graag naar nieuwe oplossingen voor de medische wereld om het menselijk lichaam te repareren. Hoe fantastisch zou het zijn als wij in de toekomst ieder orgaan of weefsel dat kapotgaat zouden kunnen repareren? Dat mensen alleen maar sterven doordat ze oud zijn, maar dat ze nooit meer hoeven te lijden door defecte organen?

Ik ben altijd gefascineerd geweest door de complexiteit van het menselijk lichaam. Probeer je eens voor te stellen hoe complex een lichaam eigenlijk is. We hebben verschillende organen die ervoor zorgen dat we iedere dag kunnen functioneren. Longen die ons bloed voorzien van zuurstof, nieren die giftige stoffen uit ons bloed filteren en een hart dat het bloed van top tot teen rondpompt. Die organen zijn weer opgebouwd uit verschillende type cellen die allemaal samenwerken. Deze cellen zijn weer opgebouwd uit moleculen.

Toen ik klein was vond ik het leuk om dingen te bouwen, en dat is wat ik tegenwoordig eigenlijk elke dag doe. Waar ik vroeger bouwde met LEGO gebruik ik nu moleculen als bouwsteentjes. Ik ontwerp verschillende slimme moleculen om daarmee een biomateriaal te bouwen dat kan communiceren met de cellen in ons lichaam. Deze cellen vormen uiteindelijk weer weefsels. Op deze manier kunnen we de mens weer repareren.

De wens om het lichaam te repareren is natuurlijk niet nieuw. Al heel vroeg in de geschiedenis wilden mensen lichaamsdelen die kapot waren vervangen met een prothese. Ook hebben mensen het menselijk lichaam altijd willen veranderen door implantaten toe te voegen, en dat gebeurt tegenwoordig nog steeds, met een cosmetische ingreep bijvoorbeeld. Archeologen hebben bijvoorbeeld een houten teen van een mummie opgegraven die 3000 jaar oud is. Dit is tot nu toe een van de oudste prothese die ze ooit hebben gevonden.

Vroeger raakten mensen ledenmaten kwijt in bijvoorbeeld gevechten of oorlogen. Die werden vaak vervangen door prothetische reconstructies om de mechanische prestaties te verbeteren. Denk hierbij aan een houten been om weer te kunnen lopen of gouden tanden om mee te kunnen eten. Destijds werden vooral natuurlijke materialen gebruikt zoals hout of steen. Na verloop van tijd werden deze materialen vervangen door materialen met betere prestaties, zoals plastics, keramiek en titanium.

In de Tweede Wereldoorlog ontwikkelde deze technologie zich in sneltreinvaart. Zo werden er tijdens een medisch onderzoek scherven perspex gevonden in de ogen van piloten. De cockpits van gevechtsvliegtuigen waren verbrijzeld door beschietingen en scherven belandden in de ogen van de piloten. Bijzonder genoeg zagen de artsen dat deze materialen geen ontstekingsreactie veroorzaakten. Dit was het begin van de ontwikkeling van kleine contactlenzen. Een belangrijke ontdekking om implantaten te kunnen ontwikkelen die in het lichaam geplaatst konden worden en niet door het lichaam werden afgestoten.

Vroeger was het hoofddoel van biomaterialen vooral voor versteviging, om de mechanische prestaties te verbeteren, later werd het ook belangrijk dat materiaal niet voor ontstekingsreactie zou zorgen als het een lichaam in moest. Denk hierbij bijvoorbeeld aan een heupimplantaat of een draad om een wond mee te hechten. Tegenwoordig gaan we nog een stap verder: er worden slimme biomaterialen ontwikkeld met biologische aansturing. Dat wil zeggen dat deze biomaterialen kunnen communiceren met de cellen in het lichaam of zelfs het lichaam stimuleren zichzelf te repareren. Dit wordt ook wel weefselregeneratie genoemd.

We kennen dit ook uit de natuur. Denk aan een hagedis: als die zijn staart kwijtraakt, dan is hij in staat om in anderhalve maand een nieuwe aan te laten groeien. Datzelfde effect proberen we met onze biomaterialen te bereiken. Om precies te zijn maken we gebruik van het wondgenezingproces in ons lichaam. Zoals een hagedis is ons lichaam in staat om zichzelf te herstellen. Heb je een klein wondje aan je vinger, dan wordt er een enorme ketting aan processen geactiveerd om het weer dicht te laten groeien en te herstellen. Maar is een wond te groot, dan is je lichaam niet meer in staat om het zelf op te lossen. Daarom ontwikkelen wij slimme biomaterialen om het lichaam te ondersteunen en te sturen om lichaamsonderdelen te repareren. Door deze slimme biomaterialen te verwerken in specifieke vormen, zoals bijvoorbeeld bloedvat of hartklep, kunnen de cellen na implantatie in het lichaam uitgroeien tot lichaamseigen weefsel.

Toen ik aan mijn onderzoek begon, wilde ik een stapje verder gaan. Ik heb me laten inspireren door een kloppend hart. Ik wilde met behulp van slimme moleculen een materiaal ontwikkelen dat kan inkrimpen en uitzetten op basis van stimulatie. Op deze manier zou ik dus een materiaal kunnen laten bewegen zonder stroom of batterijen. Je kunt mijn onderzoek vergelijken met de bakstenen van een huis. En een orgaan zou je kunnen vergelijken met een volledige stad die vol staat met gebouwen, wegen en georganiseerde infrastructuur. Wat ook niet ineens uit de grond is gekomen. Met mijn onderzoek wil ik de eerste bouwsteen ontwikkelen voor deze stad.

Om zo'n stad te kunnen bouwen is het erg belangrijk om een goede fundering te hebben. Na 4 jaar hard werken ben ik erin geslaagd om een materiaal te ontwikkelen dat kan inkrimpen en uitzetten op basis van de verandering in moleculen. Dit fundamentele onderzoek vormt de eerste bouwsteen richting een dynamisch kloppend materiaal. Voordat we een biomateriaal echt tot een hart kunnen maken, moeten we eerst kijken of de cellen op de door mij ontwikkelde materialen kunnen groeien. En dat is waar ik op dit moment mee bezig ben.

De ontwikkelingen van biomaterialen is enorm gegroeid. Van het ontstaan van contactlenzen, tot materialen die het lichaam aansturen tot herstel, of die uit zichzelf zouden kunnen bewegen: de laatste eeuw hebben we een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Nu zijn we al in staat om kleine stukjes weefsels na te maken of te repareren in het laboratorium. De kunst is om grotere weefsels of delen van een orgaan na te maken en ze te laten functioneren zoals het hoort.

Dit klinkt misschien als science fiction. Wat als we nou echt organen zouden kunnen maken? Zou dit dan leiden tot eeuwig leven? Een lichaam waarvan we tot in de eeuwigheid de onderdelen kunnen vervangen? Ik denk zelf van niet, maar je kunt wel het leven van veel mensen een heel stuk aangenamer maken. Denk bijvoorbeeld aan kinderen die geboren zijn met een hartafwijking. Als een hartklep ernstig beschadigd is, moet die met een operatie worden vervangen door bijvoorbeeld een klep van metaal of kunststof. Je kunt je voorstellen dat deze mechanische kleppen niet in staat zijn om met het lichaam mee te groeien. Daarnaast moet je levenslang medicijnen slikken. Op dit moment is het al mogelijk om met behulp van onze biomaterialen bloedvaten of hartkleppen in het lichaam te repareren. Op deze manier kunnen we weefsels in het lichaam maken die ook echt met het lichaam weer mee groeien, net als bij een hagedis.

Ik heb het al eerder gezegd: toen ik jong was wilde ik altijd een superkracht bezitten, om hiermee mensen die ziek werden, vooral ook degenen die dichtbij me staan, beter te kunnen maken. Ik had natuurlijk nooit durven dromen dat ik door het doen van experimenten in een laboratorium uiteindelijk zo dichtbij kon komen. Met de intelligente biomaterialen die we ontwikkeld hebben in ons lab zijn de eerste bouwstenen geplaatst richting een toekomst waarin we zieke en beschadigde weefsels kunnen repareren of vervangen.

Tegen jonge lezers zou ik willen zeggen: we hebben wetenschappers nodig om deze onderzoeken voort te zetten, zodat we ooit de droom van een hart gemaakt uit biomaterialen werkelijkheid kunnen laten worden. Misschien kunnen we tegen die tijd een persoon helpen die dicht bij jou staat: je vader, je moeder of een andere dierbare.