Shicheng Ye

De lever is het orgaan voor ontgifting, metabolisme, het maken van eiwitten en filteren van het bloed. Een gezonde lever heeft het vermogen om te regenereren bij acute schade. Als gevolg van chronische beschadigingen kan dit regeneratieve vermogen worden uitgeput en kunnen leverziekten optreden. Levertransplantatie is momenteel de enige effectieve behandeling voor leverziekten in het eindstadium. Door een tekort aan donorlevers ontvangt minder dan 10% van de patiënten een geschikte donorlever voor transplantatie, anderen sterven terwijl ze op de wachtlijst staan. Er is daarom een dringende behoefte aan alternatieven voor donorlevers voor transplantatie. Weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde zijn een veelbelovend vakgebied waarin biologische wetenschap, geneeskunde en biotechnologieën worden gecombineerd om alternatieven voor donororganen te ontwikkelen. Dit proefschrift richt zich op de ontwikkeling van methoden om menselijk leverweefsel te ontwikkelen voor transplantatiedoeleinden.

Voor de ontwikkeling van menselijk leverweefsel is het belangrijk om geschikte biomaterialen te ontwikkelen om de driedimensionale (3D) micro-omgeving van cellen, waaronder de extracellulaire matrix (ECM), na te bootsen. Dit wordt beschreven in deel I van dit proefschrift. De ECM biedt ondersteuning aan cellen en stuurt biologische signalen om weefsels te vormen. Hydrogelen zijn veelbelovende biomaterialen voor het nabootsen van de ECM in de menselijke lever. In Hoofdstuk 2 worden de meest gebruikte hydrogelen voor het vormen van leverweefsel besproken. Vervolgens wordt in Hoofdstuk 3 een synthetische en volledig gedefinieerde hydrogel voor het groeien van menselijke lever organoïden beschreven. Deze hydrogel, PIC-laminine, is een proefdiervrij alternatief voor de veelgebruikte hydrogel Matrigel en daardoor veelbelovend voor klinische toepassingen. In zowel PIC-laminine als in Matrigel was er slechts geringe differentiatie van lever organoïden naar lever-achtige cellen. Om differentiatie naar lever-achtige cellen verder te stimuleren werden op gelatine gebaseerde hybride hydrogelen ontwikkeld, zoals beschreven in Hoofdstuk 4. Lever organoïden gekweekt in deze hybride hydrogelen vertoonden verbeterde differentiatie naar lever-achtige cellen. Hiermee wordt de potentie van deze hybride hydrogelen voor het stimuleren van het vormen van functionele leverweefsels aangetoond.

Een ander belangrijk onderdeel voor het vormen van leverweefsel zijn de levercellen. Dit wordt beschreven in deel II van dit proefschrift. Aangezien de lever het grootste interne orgaan van het menselijk lichaam is, is het aantal benodigde cellen (voornamelijk levercellen, zogenoemde hepatocyten) voor het vormen van leverweefsel extreem hoog, namelijk ongeveer 200 miljard cellen. Het (snel) produceren van een grote hoeveelheid menselijke levercellen is echter een uitdaging. In Hoofdstuk 5 is een protocol beschreven voor de grootschalige productie van bipotentiële menselijke leverstamcellen (lever organoïden). Hierbij worden de lever organoïden gekweekt in suspensie met behulp van commerciële bioreactoren die continue draaien. In deze bioreactoren kan in korte tijd een grote hoeveelheid levercellen worden geproduceerd die nodig zijn voor het vormen van leverweefsel. Voor onderzoek en ontwikkeling zijn minder cellen nodig; daarom is in Hoofdstuk 6 een miniatuur versie van deze draaiende bioreactoren ontwikkeld: de RPMotion. De RPMotion is een eenvoudig te gebruiken en kosteneffectieve technologie om in korte tijd een grote hoeveelheid lever organoïden te produceren in conventionele kweekbuizen van 50 mL. Door het gebruik van de commerciële draaiende bioreactoren en de RPMotion kunnen grote hoeveelheden organoïden worden gekweekt zonder het gebruik van de standaard organoïdenkweek in hydrogeldruppeltjes.

In deel III van dit proefschrift worden verschillende aspecten van complexe weefselkweek gecombineerd, zoals cellulaire complexiteit, nabootsing van de ECM, vloeibare stimuli en vascularisatie. In de eerste twee delen van dit proefschrift zijn de ontwikkeling van geavanceerde hydrogelen om ECM na te bootsen (deel I) en nieuwe methoden voor snelle productie van organoïden in bioreactoren (deel II) beschreven. In Hoofdstuk 7 (deel III) zijn menselijke leverweefsels ontwikkeld bestaande uit epitheelcellen (lever organoïden) en verschillende mesenchymale cellen (stellaat cellen en mesenchymale stamcellen) gekweekt in de geoptimaliseerde PIC-hydrogel. De resultaten toonden aan dat de verschillende soorten levercellen interactie met elkaar hebben en spontaan weefsel kunnen vormen. Een dynamische kweekmethode verbeterde de weefselvorming en lever functies van het gevormde weefsel. Daarnaast is het gevormde leverweefsel gekweekt op het chorioallantoïsche membraan van een kippenembryo om het te vasculariseren. De vascularisatie en groei van het leverweefsel op het membraan van het kippenembryo wijst erop dat de gevormde leverweefsels met succes kunnen worden gefuseerd tot grotere, gevasculariseerde constructen zodra ze in het lichaam worden geïmplanteerd. De resultaten van dit proefschrift vormen een routekaart voor het stimuleren van het vormen van leverweefsels waarbij methoden kunnen worden gecombineerd, inclusief, maar niet beperkt tot, het samen kweken van verschillende celtypes, het gebruik van hydrogelen voor het nabootsen van ECM, dynamische kweekmethoden en vascularisatie.