27 okt 2017 | Verhaal

Een zacht robothart

Het is haar droom: een zacht, oplaadbaar robothart, van binnen bekleed met menselijk weefsel. Met een Europese subsidie van ruim drie miljoen euro mag AMC-hartchirurg Jolanda Kluin haar idee gaan realiseren. Samen met een internationaal consortium van onderzoekers. “Met het hart moet dat te doen zijn”, meent Kluin.

Het was zo’n eurekamoment dat je op zaterdagochtend in je badjas aan de ontbijttafel kan hebben. “Mijn man zat de wetenschapsbijlage van de NRC te lezen en liet me een foto zien van een robot-octopus, bij een stuk over soft robots”, herinnert hartchirurg Jolanda Kluin zich. De foto toonde geen klassieke metalen robot met scharnieren en acht metalen pootjes, maar een zachte, kneedbare octopus met alle benodigde elektronica en motortjes erin verstopt. “Ik dacht meteen: zo moet je ook een compleet kunsthart kunnen maken!”

Kluin deed zelf op dat moment al de nodige jaren onderzoek naar kunstmatige hartkleppen. “Die maken we van een oplosbare mal waar cellen uit de bloedbaan in gaan zitten. Die cellen maken daar dan hun eigen bindweefsel, terwijl de onderliggende mal langzaam oplost. Na verloop van tijd houd je dan als het goed is een nieuwe hartklep over die puur uit lichaamseigen weefsel bestaat. We hebben die kleppen al bij proefdieren geïmplanteerd. Binnenkort zullen we weer een aantal schapen opereren die al een jaar met zo’n kunstklep rondlopen, om te zien hoe de implantaten het al die tijd hebben gedaan.”

Ballonnetjes

Het visioen dat Kluin die zaterdag aan het ontbijt kreeg na het zien van de robot-octopus, was dat van een zacht kunsthart, van siliconen of een ander plooibaar materiaal, waar ze haar kunstkleppen alvast in zou kunnen bouwen. Dat kunsthart zou dan aan de binnenkant bedekt moeten worden met menselijk weefsel, net zoals de kunstkleppen ook via cellen uit de bloedbaan van lichaamseigen materiaal gebouwd kunnen worden. Het Onderzoeks- en Innovatiefonds van de Europese Unie, Horizon 2020, bleek erg gecharmeerd van dit idee en beloonde het onlangs met een subsidie van ruim drie miljoen euro voor vijf jaar onderzoek.

Meteen enthousiast

Via de inspirerende robot-octopus in de krant kwam Kluin in aanraking met het werk van ingenieur Bas Overvelde, leider van de Soft Robotic Matter-groep van het Amsterdamse natuurkundig onderzoeksinstituut AMOLF. Die was meteen enthousiast toen hartchirurg Kluin hem belde met haar wilde plan. “Tot nu toe zijn we vooral bezig met fundamentele vragen over robotica”, vertelt Overvelde. “In plaats van bij de klassieke, harde robots onderzoeken wij bij zachte materialen, zoals rubber, hoe we ze specifieke bewegingen kunnen laten maken. Zie het maar als verschillende ballonnetjes waar je lucht in blaast. Met een ronde ballon kun je andere krachten uitoefenen dan met zo’n lange dunne ballon die een clown gebruikt om figuurtjes mee te kneden. Wij werken met rubbers waar allemaal kleine kanaaltjes in zitten die we met een externe pomp vol lucht of vloeistof pompen om het te laten vervormen. Op die manier proberen wij verschillende bewegingen uit één complexe ballon te halen.”

Snoertje met stekker

Een cruciale vraag in het ‘Hybride-hartproject’ zal worden hoe de ingenieurs een zachte pomp kunnen bouwen met precies de goede stijfheid om de juiste kracht – niet te veel en niet te weinig – uit te oefenen op het bloed. Op zichzelf denkt Overvelde dat het te doen moet zijn. “In een eerdere samenwerking op de Harvard Universiteit had ik al eens met bio-ingenieurs een gedeelte van het menselijk hart gesimuleerd op de computer. We hebben toen ook een prototype gefabriceerd en getest. Als werktuigbouwkundige weet ik inmiddels dat het hart een heel vernuftig systeem is. Zo is de precieze aansturing niet centraal, maar decentraal geregeld in de spier, door middel van een complex netwerk van signalen.”

“Een andere grote uitdaging is om een combinatie van zachte materialen met harde elektronica te bouwen, waar de harde onderdelen niet meteen uit het rubber scheuren wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend. Daarnaast zullen we ook sensoren in het kunsthart moeten bouwen, om de kracht op een gedoseerde manier uit te oefenen.”

In hun fundamentele experimenten maakt de groep van Overvelde tot nu toe meestal gebruik van een externe energiebron, maar dat is niet wat hartchirurg Kluin voor ogen heeft. “Het liefst zouden we een robothart maken waar een batterij bij zit die draadloos, door de huid heen wordt opgeladen. Zeg maar zoals de telefoon die je tegenwoordig ook al kunt opladen door hem op een plaatje te leggen. Een snoertje met een stekker, door de huid heen, dat is geen optie.”

 Tekort aan donorharten

Met het hybride robothart dat uiteindelijk uit dit project moet rollen, willen Kluin en collega’s een lastig probleem in de hartchirurgie oplossen. Het is bekend dat er een ernstig tekort is aan donorharten voor bijvoorbeeld mensen met ernstig hartfalen. Nu wordt in bepaalde gevallen geprobeerd om dat tekort op te vullen met een steunhart. Dat is een mechanische pomp die bloed uit de linkerhartkamer van het falende hart tapt, om dat vervolgens met voldoende kracht terug te pompen in de aorta (kransslagader). Maar zo’n pomp werkt op basis van harde onderdelen. Om te voorkomen dat er zich bloedproppen vormen op de synthetische materialen moeten deze patiënten dus aan de bloedverdunners. Tegelijk beschadigen de harde onderdelen in de pomp de bloedplaatjes, waardoor deze mensen juist weer een verhoogd risico hebben op bloedingen. “Het is dat er voor deze patiënten meestal geen alternatief is, maar het mag duidelijk zijn dat zo’n steunhart niet ideaal is. De bijwerkingen zijn niet gering”, aldus Kluin.

Harttransplantatie

Het beste alternatief voor een mechanische pomp is nu nog een harttransplantatie, benadrukt Kluin. “Per jaar worden er zo’n tweeduizend harttransplantaties uitgevoerd in Europa. Maar heel veel volwassenen, en ook heel veel kinderen vallen nog buiten de boot; kinderen met een aangeboren hartafwijking bijvoorbeeld. Allereerst zijn er heel weinig kinderharten beschikbaar, wat natuurlijk een goed teken is, want dat betekent dat er ook niet veel kinderen door ongelukken omkomen. Bovendien zijn er ook vaak medische en anatomische redenen waarom jonge kinderen niet voor een harttransplantatie in aanmerking komen. Voor op zijn minst een deel van die kinderen zou een hybride kunsthart in de toekomst misschien een uitkomst kunnen zijn”, aldus Kluin. “In principe kunnen we zo’n hart natuurlijk ook heel klein maken.”

Veel lastiger na te maken

Aan het eind van vijf jaar onderzoek hoopt Kluin dat er tenminste een prototype van een zacht kunsthart zal liggen, en dan liefst eentje die in een proefdier getest kan worden. “Volgens mij is dat heel goed mogelijk. Want laten we wel wezen, het hart is eigenlijk helemaal niet zo’n complex orgaan. Het is ‘alleen maar’ een pomp. Kijk je naar de longen, met het oppervlak van een halve tennisbaan aan longblaasjes, dan zijn die veel lastiger na te maken. Om van de lever of de nieren nog maar te zwijgen. Tegelijk hoop ik wel dat dit onderzoek een eerste stap zou kunnen zijn naar meer hybride organen.”

Tekst: Rob Buiter

Foto: Science Photo Library/Hollandse Hoogte

Illustratie: Herman Geurts