Das Projekt der UC San Diego zielt auf den Bioprint patientenspezifischer transplantierbarer menschlicher Lebern ab

Das Projekt der UC San Diego zielt auf den Bioprint patientenspezifischer transplantierbarer menschlicher Lebern ab

Leberversagen ist eine der schwerwiegendsten und tödlichsten Erkrankungen und fordert jedes Jahr Tausende von Menschenleben, während Patienten in den Vereinigten Staaten auf ein Spenderorgan warten. Ein bis zu 25,8 Millionen US-Dollar teures Forschungsprojekt an der University of California San Diego, das von der Advanced Research Projects Agency for Health (ARPA-H) finanziert wird, zielt darauf ab, dies durch die Entwicklung einer voll funktionsfähigen, patientenspezifischen, 3D-Bioprint-Leber zu ändern.

Unter der Leitung des 3D-Bioprinting-Experten Shaochen Chen, Professor am Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering, bringt das Projekt ein multidisziplinäres Team von Spezialisten auf dem gesamten Campus der UC San Diego in den Bereichen Ingenieurwesen, Leberbiologie, Leberbildgebung, Leberchirurgie und künstliche Intelligenz zusammen. Ziel ist es, „maßgeschneiderte“ Lebern herzustellen, die aus den eigenen Zellen eines Patienten gezüchtet werden. Der Ansatz könnte eine sichere, skalierbare Alternative zur Transplantation bieten, die den Bedarf an Spenderorganen und lebenslangen Immunsuppressiva überflüssig macht.

Wenn Menschen an 3D-Druck denken, denken sie oft an die Herstellung von Gadgets wie Handyhaltern oder Spielzeug, nicht an menschliche Organe. Der Bedarf an Organtransplantationen ist jedoch enorm, und der 3D-Biodruck eignet sich hervorragend zur Bewältigung dieser Herausforderung, da er uns ermöglicht, jedes Organ individuell an den Patienten anzupassen. Unser oberstes Ziel – der heilige Gral – ist es, zur Lösung des Organmangels beizutragen, indem wir echte, lebende menschliche Organe drucken, die Gesundheit und Lebensqualität wiederherstellen können.“

Shaochen Chen, Professor am Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering, UC San Diego Jacobs School of Engineering

Die Ziele dieses Projekts stellen den Höhepunkt von mehr als zwei Jahrzehnten Innovation im 3D-Biodruck von Chen und seinem Labor dar. Gemeinsam hat das Team eine Technologie entwickelt, mit der hochauflösende biologische Gewebe mit komplexen, mehrzelligen Strukturen schnell in Sekunden statt in Stunden hergestellt werden können.

Chen und sein Team haben kürzlich künstliche Intelligenz in den Design- und Herstellungsprozess integriert, um bei der Konstruktion anspruchsvoller Gefäßnetzwerke zu helfen. Dies sei, erklärte Chen, eine der größten Herausforderungen bei der Vergrößerung von kleinen Gewebeproben auf lebende Organe in voller Größe.

Durch diese neue Initiative wird das Team nun diese kumulativen Fortschritte nutzen, um sein bislang ehrgeizigstes Ziel in Angriff zu nehmen: den Biodruck einer lebensgroßen, transplantierbaren menschlichen Leber.

Im Erfolgsfall, sagte Chen, könnte das Projekt eine bedarfsgerechte Quelle für funktionelles Lebergewebe für die Transplantation bereitstellen und möglicherweise jedes Jahr das Leben von mehr als 12.000 Patienten in den Vereinigten Staaten retten, die derzeit auf der Warteliste für eine Transplantation stehen. Der Ansatz könnte auch die Gesundheitskosten erheblich senken und die langfristigen Ergebnisse für Patienten mit chronischer Lebererkrankung verbessern.

„Seit Jahrzehnten träumt die Transplantationsgemeinschaft von einer Zukunft, in der das Schicksal Tausender Patienten jedes Jahr nicht mehr von der Knappheit an Spenderorganen bestimmt wird“, sagte Gabriel Schnickel, Professor für Chirurgie an der UC San Diego School of Medicine, Leiter der Abteilung für Transplantation und hepatobiliäre Chirurgie an der UC San Diego Health und Co-Forscher des Projekts. „Diese Arbeit hat das Potenzial, unzählige Leben grundlegend zu verändern, indem sie diese Vision vom Wunsch zur Realität macht.“

Weitere Mitermittler der UC San Diego an dem Projekt sind David Berry, Ahmed El Kaffas, Padmini Rangamani, Bernd Schnabl und Claude Sirlin von der UC San Diego School of Medicine sowie Rose Yu von der UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Die Forscher arbeiten mit Allele Biotechnology zusammen, einem Industriepartner mit Fachkenntnissen in personalisierten Technologien und Methoden zur Stammzellerzeugung zur effizienten Herstellung verschiedener Zelltypen, die für den Bioprint von Lebern für Transplantationen benötigt werden. Das von seinem CEO Jiwu Wang gegründete Unternehmen aus San Diego verfügt außerdem über spezialisierte Anlagen zur Zellherstellung, die den regulatorischen Standards entsprechen. Gemeinsam plant das Team, den Prozess von der Laborqualität zur klinischen Produktion weiterzuentwickeln.

Von der Innovation zur realen Wirkung

Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Druckmethoden nutzt Chens Technologie digital gesteuerte Lichtmuster, um zellbeladene Materialien Schicht für Schicht zu verfestigen – so können Forscher die feine Mikroarchitektur lebender Gewebe, einschließlich komplizierter Netzwerke von Blutgefäßen, präzise nachbilden.

Im Laufe der Jahre verfeinerte Chens Team sowohl den Bioprinting-Prozess als auch die Biomaterialien – sogenannte Bioinks –, die zur Unterstützung lebender menschlicher Zellen erforderlich sind. Im Jahr 2016 erreichten sie einen wichtigen Meilenstein, indem sie zeigten, dass ihre Bioprinting-Technologie lebensechte menschliche Lebergewebemodelle erstellen kann. Obwohl sie nur wenige Millimeter groß waren, bildeten diese gedruckten Gewebe die Strukturen und Funktionen einer echten menschlichen Leber genau nach. Und da die Lebergewebe aus vom Menschen induzierten pluripotenten Stammzellen stammen, sind sie patientenspezifisch, was das Risiko einer Immunabstoßung verringert.

Aufbauend auf diesem Erfolg gründeten Chen und sein Team ein Startup-Unternehmen, Allegro 3D (jetzt Cellink), um die Technologie über das Labor hinaus zu übertragen. Während sie an der Kommerzialisierung der Bioprinting-Plattform arbeiteten, entwickelten sie das System schrittweise von einem experimentellen Prototyp zu einem Drucker im industriellen Maßstab weiter, der in der Lage ist, viel größere, komplexere Strukturen herzustellen.

„UC San Diego ist einzigartig positioniert, um diese Art von Arbeit zu leiten“, sagte Chen. „Wir haben eine der zehn besten Ingenieurschulen und eine erstklassige medizinische Fakultät auf dem gesamten Campus. Wir haben eine Kultur der starken Zusammenarbeit, die es einfach macht, Ingenieure, Kliniker und Biologen zusammenzubringen, um ein Problem dieser Größenordnung anzugehen.“

Quellen: