Blindheid oplossen met zetmeel

In het geval van een bepaalde genetische afwijking of beschadiging tijdens een cataractingreep zal het hoornvlies, het raam van het menselijke oog, helemaal vertroebelen. Het zicht van de patiënt zal geleidelijk verslechteren en op een tiental jaar kan hij/zij zelfs helemaal blind worden. Voor hen lijkt de buitenwereld zoals we in de auto door een aangedampte voorruit naar buiten kijken. Enkel een gedeeltelijke hoornvliestransplantatie kan helpen, waar het binnenste cellaagje uit het oog van een overleden donor gehaald wordt om het zieke exemplaar in de patiënt te vervangen. Na zo’n operatie zal de patiënt binnen enkele weken weer een scherp zicht hebben voor vele jaren. 

Maar daar is ook waar het schoentje wringt. Ondanks deze verfijnde chirurgie is er te weinig donorweefsel beschikbaar voor alle patiënten op de wachtlijst. Volgens recente schattingen is er wereldwijd slechts één donorhoornvlies beschikbaar voor zeventig patiënten die er eentje nodig hebben voor een aandoening aan het hoornvlies in het algemeen. Van alle hoornvliestransplantaties die uitgevoerd worden, vertegenwoordigen ingrepen aan de binnenste cellaag van het hoornvlies bijna 40%. Als we voor deze patiënten een oplossing vinden, hebben we donorhoornvliezen over om andere patiënten te helpen.

Als deel van de oplossing hebben we geprobeerd om het binnenste deel van het hoornvlies na te bouwen in het laboratorium van ARGOS (Antwerp Research Center for Ocular Science). Deze aanpak is in de wetenschappelijke wereld bekend als tissue engineering, oftewel weefselkweek, waarbij men levende organen probeert na te bouwen die de typische structuur nabootsen zoals in ons lichaam. 

Hiervoor hadden we twee componenten nodig: enerzijds cellen die we uit een donorhoornvlies kunnen opkweken en anderzijds een dragermembraan om deze cellen op te groeien en te transplanteren. Op die manier worden meerdere weefsels gebouwd met maar één donorhoornvlies en dus meerdere patiënten behandeld worden met slechts één donoroog. Uiteindelijk leidt dit tot een kortere wachtlijst voor hoornvliestransplantaties. Op het eerste zicht lijkt dit een gemakkelijke klus, maar deze endotheelcellen kunnen zeer kieskeurig wat betreft de ondergrond waarop zij willen groeien. Als deze eigenschappen vertonen die anders zijn dan in ons oog, zullen zij zich transformeren zodat zij niet meer functioneel zijn.

Gerecycleerde ogen, visschubben en zetmeel

Bij de start van dit onderzoek was ons doel om de gekweekte cellen in de patiënt te implanteren op een stukje gerecycleerd oog afkomstig van cataractoperaties. Tijdens deze ingreep wordt de troebele lens verwijderd en vervangen door een plastic exemplaar waarna de verwijderde lens als afval beschouwd wordt. Omdat samenstelling van het buitenste vlies van deze lens heel sterk lijkt op het membraan in het hoornvlies, groeide de hypothese om deze ooglenzen te gebruiken als dragermembranen voor weefselkweek. De eerste testen bleken heel belovend, maar uiteindelijk moesten we dit pad verlaten wegens de te kleine diameter van het weefsel en de potentiële veiligheidsrisico’s.

Het tweede alternatief vonden we in Taiwan en meer bepaald in de Taiwanese eetcultuur waar de Tilapia vis een van de lokale specialiteiten is. In Taiwan is een biotechnologisch startupbedrijf dat bezig is om de schubben van deze vis te gebruiken als biologische pleister om wonden op het oog te genezen. In samenwerking met dit bedrijf en een oogcentrum in Venetië onderzochten we of deze visschubben al dan niet geschikt waren om hoornvliescellen te transplanteren. De initiële voordelen waren dat ze groter en sterker waren de onze vorige kandidaat, maar uiteindelijk bleek dit materiaal toch niet perfect te zijn. Dit was omdat de schubben te dik bleken voor onze toepassing en bovendien van nature een te ruwe oppervlakte te hebben om celgroei te bevorderen.

De onderliggende redenen dat de twee eerste kandidaten mislukten was omdat het heel uitzonderlijk is om in de natuur het perfecte membraan te vinden. De praktische limieten van biologisch afgeleide materialen, zoals de lens en visschubben, zijn dat we deze moeilijk kunnen aanpassen als inherente eigenschappen van deze natuurlijke stoffen toch niet optimaal zijn. Daarom hebben we, als derde alternatief, een volledig biosynthetisch materiaal ontwikkeld in samenwerking met materiaalwetenschappers van de Universiteit Gent. Een compleet synthetisch materiaal stelt vele voordelen omdat het goedkoop is, een onbeperkte aanvoer heeft en volledig aanpasbaar zijn naar onze noden, kortom een moleculair maatwerkje voor onze toepassing. Het resultaat van deze samenwerking leidde tot de ontwikkeling van een membraan gemaakt van een gespecialiseerd bioplastic. De verschillende onderdelen van deze celdrager zijn enerzijds polymelkzuur, dat je uit aardappelzetmeel maakt, en anderzijds gelatine, gehaald uit rundsbeenderen. Het resultaat is een materiaal dat op het eerst zicht en gevoel lijkt op vershoudfolie, maar volledig afbreekbaar is in het menselijk lichaam zonder bijwerkingen.

Foto: Met het blote oog lijkt dit een stukje plastic, maar met de microscoop kunnen we twee lagen onderscheiden, namelijk een laagje polymelkzuur en een laagje gelatine.

Momenteel zijn de tests met dit nieuwe materiaal veelbelovend. Niet alleen is het materiaal volledig transparant, dat is essentieel aangezien we dit in het oog zullen plaatsen, maar blijkt dat de onze cellen uit zichzelf hier graag op groeien. Op dit moment is het zelfs mogelijk om membranen van dit materiaal te maken die tot 10 keer zo dun zijn als een menselijk haar, maar toch nog sterk genoeg zijn voor de chirurg om dit in de patiënt in te brengen. Hiermee zijn wij de eerste wetenschappers die voor deze toepassing een membraan kunnen maken met deze geringe dikte, wat essentieel is voor een sneller herstel van het zicht na een operatie. Na het afronden van de eerste fundamentele studies, zijn we klaar voor een nieuwe fase in dit project. Hierin gaan we hoornvliestransplantaties simuleren in varkens- en konijnenogen. 

Bert Van den Bogerd is genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup. Ontdek meer over zijn onderzoek op www.phdcup.be.