Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

Voor veel kinderen die kampen met levensbedreigende vormen van kanker, kunnen de behandelingen die hun leven redden, juist hun toekomstige vruchtbaarheid stelen. Chemotherapie en bestraling beschadigen vaak de eierstokken, de organen die eicellen en essentiële hormonen produceren. Bij volwassenen kunnen artsen soms eierstokweefsel invriezen en opslaan voor later gebruik, maar deze aanpak is gevaarlijk voor kinderen. Hun eierstokken bevatten onrijpe eicellen die niet individueel kunnen worden ingevroren, en het reimplantatie van hun eigen weefsel brengt het risico met zich mee dat kankercellen opnieuw worden geïntroduceerd als de ziekte daarheen is uitgezaaid. Om dit op te lossen, werken wetenschappers aan een ander soort oplossing: een bioprothetische eierstok. Dit is een kunstmatig orgaan dat is gebouwd van een scaffold (steiger), een minuscule, poreuze structuur die ontworpen is om geïsoleerde eicelzakjes, genaamd follikels, vast te houden en hen te helpen groeien en rijpen buiten het lichaam totdat ze klaar zijn voor gebruik. Het doel is om het beschadigde weefsel te vervangen door dit technisch vervaardigde ondersteuningssysteem, waardoor het lichaam hormonen kan produceren en uiteindelijk gezonde eicellen kan vrijgeven.

De uitdaging ligt in het vinden van het juiste materiaal om zo'n scaffold te bouwen. De follikel is een delicate, driedimensionale structuur die stevig moet worden vastgehouden, terwijl er tegelijkertijd ruimte moet zijn voor uitbreiding naarmate deze groeit. Het moet interageren met omliggende ondersteunende cellen en voedingsstoffen ontvangen, net zoals een plant de juiste bodem nodig heeft om wortel te schieten en te bloeien. Onderzoekers hebben eerder een materiaal gebruikt genaamd gelatine, dat is afgeleid van collageen, omdat het de natuurlijke omgeving van het lichaam nabootst en cellen helpt eraan te hechten. Recenter hebben ze ook gekeken naar een synthetisch, ultra-poreus materiaal genaamd ultra-fluffy poly(lactic-co-glycolic acid), of UF-PLG. Dit materiaal is ongelooflijk licht en kan vele malen zijn eigen gewicht aan vloeistof absorberen, wat een ander soort structuur biedt. De vraag was of een van deze materialen duidelijk superieur was, of dat ze verschillende sterktes boden die gecombineerd zouden moeten worden.

Een team van onderzoekers zette zich scharpe om deze materialen direct te vergelijken. Ze gebruikten een 3D-printer om minuscule scaffolds te maken van drie verschillende stoffen: pure gelatine, pure UF-PLG en een hybride versie waarbij de UF-PLG werd gecoat met gelatine. Ze printten deze scaffolds met een specifiek geometrisch patroon, bestaande uit vijf lagen staven (struts) die in een hoek van zestig graden ten opzichte van elkaar staan, waardoor hoeken ontstonden die de sferische follikels fysiek konden wiegen. Vervolgens namen ze secundaire follikels, kleine eicelzakjes ter grootte van een korrel zand, uit de eierstokken van jonge muizen. Elke follikel werd op een van de drie soorten scaffolds geplaatst en gedurende twee, vier of zes dagen in een voedingsrijke vloeistof gelaten om te groeien. De wetenschappers bestudeerden de follikels onder krachtige microscopen om te zien hoe goed ze vastzaten, of ze hun vorm behielden en hoeveel de eicel binnenin groeide.

De resultaten toonden een duidelijke splitsing in prestaties. De scaffolds gemaakt van pure gelatine waren uitstekend in het veilig en stevig houden van de follikels. Bijna alle follikels die op deze scaffolds werden geplaatst, bleven bevestigd, en ze behielden hun structurele integriteit, wat betekent dat de beschermende lagen rond de eicel niet braken. De gelatine stimuleerde ook de omliggende ondersteunende cellen om naar de scaffold te migreren en zich rond de follikel te wikkelen, waardoor een sterk, geïntegreerd geheel ontstond. In contrast hiermee presteerden de follikels op de pure UF-PLG scaffolds slecht. De meeste van hen vielen volledig van de structuur af, en degenen die bleven, braken vaak open, waarbij ze hun beschermende schil verloren. De hybride scaffolds, die beide materialen combineerden, toonden een middenweg wat betreft hechting, maar boden een verrassend voordeel voor de groei.

Hoewel de gelatine-scaffolds het beste waren in het op zijn plek houden van de follikels, waren ze niet het beste in het helpen van de eicel binnenin om tot volledige grootte te groeien. De onderzoekers maten de diameter van de eicellen om te zien of ze de grootte bereikten die aangeeft dat ze klaar zijn voor bevruchting, een graadmeter die bekend staat als ontwikkelingscompetentie. Bij muizen moet een eicel een diameter van ongeveer 70 tot 72 micrometer bereiken om als competent te worden beschouwd. De eicellen op de gelatine-scaffolds groeiden wel, maar bleven kleiner dan deze doelstelling. Echter, de eicellen op de hybride UF-PLG-gel scaffolds groeiden groter dan de benchmark en bereikten een gemiddelde diameter van 75,6 micrometer. Dit suggereert dat hoewel de gelatine beter was in het voorkomen dat de follikel uit elkaar viel, het hybride materiaal een omgeving bood waarin de eicel vrijer kon expanderen.

De onderzoekers testten ook of het stijver maken van de scaffolds de uitkomst zou veranderen. Ze verhoogden de hoeveelheid chemische crosslinking, wat werkt als een soort lijm om het materiaal te harden, en stelden vast dat dit de gelatine-scaffolds aanzienlijk stijver maakte. Deze verandering in stijfheid veranderde echter de mate waarin de follikels hechtten of de mate van eicelgroei niet drastisch. De verschillen tussen de materialen zelf waren veel belangrijker dan de verschillen in hoe hard ze waren. Deze bevinding suggereert dat de chemische aard van het materiaal, in plaats van alleen de fysieke hardheid, de primaire drijfveer is voor hoe de follikel zich gedraagt.

Deze bevindingen wijzen op een nieuwe manier van denken over het bouwen van kunstmatige organen. Lange tijd hoopten wetenschappers een enkel materiaal te vinden dat alles perfect kon doen: het weefsel stevig vasthouden en tegelijkertijd helpen om tot volwassenheid te groeien. Deze studie suggereert dat een dergelijk "one-size-fits-all"-materiaal mogelijk niet bestaat. In plaats daarvan zijn de behoeften van een follikel voor stabiliteit anders dan de behoeften voor groei. De gelatine zorgde voor de stabiliteit die nodig was om de structuur intact te houden, terwijl het UF-PLG-component de ruimte of de signalen leek te bieden die nodig zijn om de eicel zijn volledige potentieel te laten bereiken. Dit impliceert dat de meest effectieve bioprothetische eierstokken van de toekomst mogelijk gebouwd moeten worden met meerdere materialen, die zorgvuldig zijn gerangschikt om een veilige woning voor de follikel te bieden en tegelijkertijd een permissieve omgeving te creëren voor de rijping van de eicel. Door te begrijpen dat verschillende stadia van ontwikkeling verschillende fysieke omgevingen vereisen, kunnen wetenschappers dichter bij het creëren van een betrouwbare oplossing komen voor het herstellen van de vruchtbaarheid bij hen die dit door kanker hebben verloren.