Het idee voor de ontwikkeling van een hybride kunsthart werd geboren op een zaterdagmorgen. Na een overvolle werkweek zat dr. Jolanda Kluin, moeder van vier kinderen, hartchirurg en onderzoeker, op de bank te genieten van de rust. Haar man, natuurfotograaf van professie, attendeerde haar op een artikel in de wetenschapsbijlage van NRC Handelsblad. Het bevatte een uiteenzetting over een zachte robot in de vorm van een octopus.

Het verhaal bracht de vrouwelijke hartchirurg, verbonden aan het AMC in Amsterdam en het LUMC in Leiden, op een visionaire gedachte. In de achterliggende jaren verrichtte ze onderzoek naar het functioneren van een hartklep van polymeer die geleidelijk transformeert naar een lichaamseigen klep. Door deze technologie te combineren met die achter de robot van siliconen zou het mogelijk moeten zijn een hybride kunsthart te vormen. Als alternatief voor een ontbrekend donorhart of tijdelijke oplossing voor mensen die op een harttransplantatie wachten. „Er is nog altijd een groot tekort aan donorharten. Vooral voor kinderen.”

Tien jaar geleden raakte Kluin betrokken bij de ontwikkeling van een lichaamseigen hartklep door de Technische Universiteit van Eindhoven. „Veel collega’s doen epidemiologisch onderzoek, op basis van grote patiëntengroepen, maar ik ben meer geïnteresseerd in basaal wetenschappelijk onderzoek. Zo kwam ik in contact met techneuten in Eindhoven die probeerden hartkleppen te maken via ”tissue engineering”, een relatief jonge tak van wetenschap die zich toelegt op het kweken van organen.”

Schaap

De Amsterdamse hartchirurg werd verantwoordelijk voor de dierexperimenten. Ze begon met het vervangen van een stukje lichaamsslagader in de buik van ratten door een buisje van polymeer. Vervolgens plaatste ze een in Eindhoven ontwikkelde pulmonaalklep –de hartklep aan het begin van de slagader naar de longen– in het hart van schapen, via een openhartoperatie. „Een schaap is het ideale dier voor dit onderzoek. Het grote probleem bij kunstmatige biologische hartkleppen is de verkalking. Een schaap heeft een heel hoog kalkmetabolisme, dus als de klep het in een schapenhart goed blijft doen, zal dat bij een mens zeker het geval zijn.”

De ontwikkeling en het functioneren van de kleppen volgde ze nauwgezet door middel van echografie en drukmetingen. Na het doden van het dier werd het weefsel van de gevormde hartklep onderzocht door een patholoog-anatoom.

Het team in Eindhoven begon met de klassieke manier van tissue engineering. „Op een afbreekbare mal van polymeer werden cellen uit een bloedvat van een menselijk been gezaaid. Via een bioreactor stimuleerden ze de weefselvorming. Met name de vorming van collageen, een lijmvormend eiwit dat de klep de benodigde stevigheid moet geven. Als het weefsel sterk genoeg was, implanteerde ik de klep bij dieren.”

De resultaten waren matig. Het proces van bindweefselvorming ging in het schaap door. „Dat gaf te dikke klepblaadjes, die zich ook nog eens wat terugtrokken, met lekkage als gevolg.” Toen de techneuten uit Eindhoven met het bericht kwamen dat het mogelijk moest zijn om een klep van enkel polymeer in het hart te plaatsen, en daar ter plekke de weefselvorming op natuurlijke wijze plaats te laten vinden, klonk dat Kluin aanvankelijk te futuristisch in de oren. „Maar de praktijk laat zien dat het in principe kan.”

Voorzichtig

Bij een deel van de schapen functioneert de klep na een jaar nog prima, bij andere wat minder. „Daarom willen we ze graag twee jaar volgen.” De West-Europese centra voor hartchirurgie vonden de resultaten nog te onzeker om de kleppen al in te brengen bij kinderen met een lekkende pulmonaalklep. Centra in andere delen van de wereld waren er wel toe bereid. „Misschien zijn wij té voorzichtig”, erkent Kluin.

„Als je altijd 100 procent zekerheid wilt hebben, kom je nooit verder. De bestaande alternatieven hebben ook hun bezwaren. We zijn nog geen schaap verloren door een afgescheurde hartklep, een ruptuur of iets dergelijks. Ook de kinderen bij wie een vat of een klep van Xeltis is geïmplanteerd, doen het tot nu toe goed.”

Het feit dat een aantal toonaangevende Amerikaanse hartcentra intussen bereid is kinderen met de nieuwe klep te opereren, geeft aan dat het vertrouwen in de producten van Xeltis toeneemt. „We weten nog niet of de klep bij jonge kinderen meegroeit. Dat zal de tijd moeten leren. Als dat zo is, hebben we een enorme sprong vooruit gemaakt.”

Infecties

Het ontwikkelen van een compleet hart door tissue engineering acht de Amsterdamse hartchirurg vrijwel onmogelijk. In ieder geval de komende decennia. „De opgekweekte cellen moeten op basis van prikkelgeleiding werken en ook nog eens voldoende pompkracht hebben. Ik vrees dat we daar nooit zullen komen. Toen ik in de NRC-bijlage een plaatje zag van die nagemaakte octopus die zijn tentakels kon bewegen, dacht ik meteen: híér kunnen we wat mee. Door de kracht van de zachte robot te combineren met een binnenbekleding van door tissue engineering gevormd lichaamseigen weefsel.”

Deze vinding zou een uitkomst betekenen voor mensen die vanwege hartfalen zijn aangewezen op een steunhart, zolang er geen donorhart aanwezig is. „Dat is een mechanische pomp die we in de punt van het hart plaatsen. Daarmee wordt er bloed uit de linkerkamer in de aorta gepompt. Dat geeft vaak problemen. Je mangelt het bloed door een schroef van metaal. Om stolselvorming te voorkomen, moeten deze patiënten bloedverdunners slikken. Tegelijk beschadigt die schroef de bloedplaatjes, wat een verhoogd risico op bloedingen geeft. Daardoor hebben deze mens een verhoogde kans op óf een herseninfarct, óf een hersenbloeding. In de loop der jaren heb ik veel van die complicaties gezien. De energie van het steunhart wordt geleverd via een driveline. Zo’n lijn is een potentiële bron van infecties, en belemmert de mobiliteit van de dragers enorm.”

Robothart

Na lezing van het NRC-artikel nam Kluin contact op met de geïnterviewde wetenschapper dr. Bas Overvelde, leider van de Soft Robotic Mattergroep van het Amsterdamse natuurkundig onderzoeksinstituut Amolf. Toen ik hem mijn idee voorlegde, was zijn reactie: „Dat moeten we kunnen maken.””

In samenwerking met Amolf vroeg de vrouwelijke hartchirurg subsidie aan bij het innovatiefonds van de Europese Unie, in het kader van ”Future and Emerging Technologies”. „Daarbij gaat het om onderzoek dat niet het logische vervolg is op bestaand onderzoek, maar iets compleet vernieuwends. We zijn superblij en trots dat we een miljoen euro hebben gekregen. Ik was de hoofdaanvrager, namens het AMC. De andere partijen zijn Amolf met een counterpartner in Pisa, de TU Eindhoven, Xeltis en Dualis, een bedrijfje in Duitsland dat voor transcutane energielevering moet gaan zorgen. Draadloos, door de huid heen, zodat we niet meer te maken hebben met een kabel waar mensen aan vastzitten.”

Het onderzoekstraject zal vijf jaar duren, tot 2022. In de huidige fase kan Kluin weinig meer dan de inspanningen van de andere partijen volgen. „Ik ben afhankelijk van de natuurkundigen en techneuten die het hart moeten maken. Mijn rol is het uittesten van het gemaakte prototype en de onderdelen daarvan. Eerst in een laboratoriumopstelling, vervolgens in proefdieren.”

Printen

De eerste fase van het traject is de vorming van het robothart van siliconen door Amolf en de partner in Pisa. Xeltis levert het polymeer voor de tissue engineering van de binnenbekleding. De TU Eindhoven richt zich op het samenstellen van een stof die het polymeer onlosmakelijk aan het omhulsel van silicone verbindt.

Dat is niet de enige uitdaging. Het synthetische rubber mag niet beschadigd raken door de elektronica die er een plaats in krijgt en moet bestand zijn tegen het eindeloze pompen. De spannendste vraag blijft voor Kluin of het robothart voldoende pompkracht kan genereren. „Bas Overvelde is optimistisch, maar ik moet het eerst zien. Het onderzoekstraject eindigt met het inbrengen van een prototype van het hart in een proefdier en drie maanden follow-up.”

Als het project slaagt, zullen de kunstharten waarschijnlijk geprint gaan worden met een 3D-printer. „Met die techniek kunnen we aan de hand van een CT-scan een hart op maat maken, voor een specifieke patiënt. Een vrouw van 50 kilo heeft een ander hart nodig dan een man van 100 kilo.”

Fantaseren

Het meeste medische onderzoek zal onder verantwoordelijkheid van dr. Kluin worden uitgevoerd door een promovendus. Ze overweegt een student technische geneeskunde te zoeken.

„We kunnen in de geneeskunde nog grote vooruitgang boeken door een nauwere samenwerking tussen medici en techneuten. Natuurkundigen hebben vaak geen idee hoe wij werken en waar we behoefte aan hebben. De meeste artsen weten niet wat er technisch allemaal mogelijk is, en denken vrij conservatief. Daardoor worden bestaande mogelijkheden onvoldoende benut. Het is toch te gek dat allerlei instrumenten zonder snoertje worden opgeladen en onze kunstharten worden gevoed door een grote kabel waar de patiënt aan vastzit? Ik ervaar het als bijzonder verrijkend om in dit soort projecten samen te werken met techneuten.”

Zo mogelijk nog belangrijker is het inlassen van momenten van reflectie, het lezen van algemeen wetenschappelijk nieuws en het fantaseren over nieuwe mogelijkheden. „Anders ga je alleen maar door met het verlenen van klinische zorg op de vertrouwde manier. Dat is goed, maar zo komen we niet verder. En dat is wel de bedoeling.”