Projekt ARPA-H realizowany na UC San Diego ma na celu zakończenie niedoboru przeszczepów wątroby dzięki biodrukowi 3D

Niewydolność wątroby należy do najpoważniejszych i najbardziej śmiertelnych schorzeń medycznych, każdego roku prowadząc do tysięcy zgonów wśród pacjentów w Stanach Zjednoczonych oczekujących na narząd od dawcy. Projekt badawczy o wartości do 25,8 mln dolarów, realizowany na University of California San Diego i finansowany przez Advanced Research Projects Agency for Health (ARPA-H), ma ambicję zmienić ten stan rzeczy poprzez opracowanie w pełni funkcjonalnej, spersonalizowanej wątroby wytwarzanej metodą biodruku 3D.

Projektowi przewodzi ekspert w dziedzinie biodruku 3D Shaochen Chen, profesor w Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering w UC San Diego Jacobs School of Engineering. Inicjatywa łączy interdyscyplinarny zespół specjalistów z całego kampusu UC San Diego, obejmujący inżynierię, biologię wątroby, obrazowanie wątroby, chirurgię hepatobiliarną oraz sztuczną inteligencję. Celem jest stworzenie wątrób „na zamówienie”, hodowanych z własnych komórek pacjenta. Takie podejście mogłoby stanowić bezpieczną i skalowalną alternatywę dla klasycznych przeszczepów, eliminując konieczność pozyskiwania narządów od dawców oraz dożywotniego stosowania leków immunosupresyjnych.

„Gdy ludzie myślą o druku 3D, często wyobrażają sobie gadżety, takie jak uchwyty na telefony czy zabawki, a nie ludzkie narządy” – podkreśla Chen. „Tymczasem zapotrzebowanie na przeszczepy narządów jest ogromne, a biodruk 3D wyjątkowo dobrze nadaje się do odpowiedzi na to wyzwanie, ponieważ pozwala personalizować każdy narząd pod konkretnego pacjenta. Naszym ostatecznym celem – swoistym świętym Graalem – jest rozwiązanie problemu niedoboru narządów poprzez drukowanie prawdziwych, żywych ludzkich organów, które przywracają zdrowie i jakość życia”.

Założenia projektu stanowią zwieńczenie ponad dwóch dekad innowacji w dziedzinie biodruku 3D rozwijanych przez Chena i jego zespół. Wspólnie opracowali oni technologię umożliwiającą bardzo szybkie wytwarzanie wysokorozdzielczych tkanek biologicznych o złożonej, wielokomórkowej strukturze – w ciągu sekund, a nie godzin.

Sztuczna inteligencja i wyzwania unaczynienia

Niedawno Chen i jego współpracownicy zintegrowali sztuczną inteligencję z procesem projektowania i wytwarzania, aby wspomóc inżynierię zaawansowanych sieci naczyniowych. Jak zaznacza Chen, jest to jedno z kluczowych wyzwań przy przechodzeniu od niewielkich fragmentów tkanek do pełnowymiarowych, żywych narządów.

W ramach nowej inicjatywy zespół wykorzysta te skumulowane osiągnięcia do realizacji najbardziej ambitnego celu: biodrukowania wątroby ludzkiej w skali rzeczywistej, nadającej się do przeszczepu.

Jeśli projekt zakończy się sukcesem, może zapewnić dostępne na żądanie źródło funkcjonalnej tkanki wątrobowej do transplantacji, potencjalnie ratując życie ponad 12 000 pacjentów w Stanach Zjednoczonych rocznie, którzy obecnie znajdują się na listach oczekujących. Podejście to mogłoby również znacząco obniżyć koszty opieki zdrowotnej i poprawić długoterminowe wyniki leczenia u pacjentów z przewlekłymi chorobami wątroby.

„Przez dekady środowisko transplantologiczne marzyło o przyszłości, w której los tysięcy pacjentów rocznie nie jest determinowany niedoborem narządów od dawców” – mówi Gabriel Schnickel, profesor chirurgii w UC San Diego School of Medicine, kierownik Division of Transplantation and Hepatobiliary Surgery w UC San Diego Health oraz współbadacz projektu. „Ta praca ma potencjał fundamentalnie zmienić życie niezliczonych osób, przenosząc tę wizję z poziomu aspiracji do rzeczywistości”.

Wśród innych współbadaczy z UC San Diego znajdują się David Berry, Ahmed El Kaffas, Padmini Rangamani, Bernd Schnabl oraz Claude Sirlin z UC San Diego School of Medicine, a także Rose Yu z UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Od innowacji do zastosowań klinicznych

Zespół badawczy współpracuje z firmą Allele Biotechnology – partnerem przemysłowym dysponującym doświadczeniem w technologiach personalizowanej generacji komórek macierzystych oraz w metodach wydajnego wytwarzania różnych typów komórek niezbędnych do biodrukowania wątrób przeznaczonych do przeszczepu. Spółka z San Diego, założona przez jej prezesa Jiwu Wanga, posiada również wyspecjalizowane zaplecze do produkcji komórek spełniające wymogi regulacyjne. Wspólnie zespół planuje przejście od produkcji laboratoryjnej do wytwarzania materiału klasy klinicznej.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod druku 3D, technologia Chena wykorzystuje cyfrowo sterowane wzory światła do warstwowego utwardzania materiałów zawierających komórki. Pozwala to z dużą precyzją odtwarzać drobną mikroarchitekturę charakterystyczną dla żywych tkanek, w tym złożone sieci naczyń krwionośnych.

Na przestrzeni lat zespół Chena udoskonalał zarówno sam proces biodruku, jak i biomateriały – tzw. bioatramenty – niezbędne do podtrzymania żywych ludzkich komórek. W 2016 roku osiągnięto ważny kamień milowy, wykazując, że technologia biodruku pozwala tworzyć realistyczne modele ludzkiej tkanki wątroby. Choć miały one zaledwie kilka milimetrów wielkości, wiernie odtwarzały strukturę i funkcje prawdziwej wątroby. Co istotne, tkanki te były wytwarzane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych człowieka, dzięki czemu były specyficzne dla pacjenta i obarczone mniejszym ryzykiem odrzutu immunologicznego.

Na bazie tego sukcesu Chen i jego zespół powołali spółkę typu startup – Allegro 3D (obecnie Cellink) – aby przenieść technologię poza laboratorium. W trakcie komercjalizacji platformy biodruku system był stopniowo rozwijany od eksperymentalnego prototypu do drukarki o skali przemysłowej, zdolnej do wytwarzania znacznie większych i bardziej złożonych struktur.

„UC San Diego ma unikalne predyspozycje do prowadzenia tego rodzaju badań” – podkreśla Chen. „Dysponujemy szkołą inżynierską z pierwszej dziesiątki rankingów oraz światowej klasy szkołą medyczną zlokalizowaną tuż obok. Panuje u nas silna kultura współpracy, która ułatwia łączenie inżynierów, klinicystów i biologów w pracy nad problemami tej skali”.

Źródło: University of California – San Diego