O abordare de biologie sintetică stimulează creșterea țesutului hepatic implantat
În cazul pacienților care dezvoltă boala hepatică în stadiu avansat, daunele sunt atât de severe încât capacitatea regenerativă normală a ficatului nu mai poate repara sau compensa. Odată ce s-a ajuns la acest „punct fără întoarcere”, singura opțiune rămasă este transplantul de organ.
Obținerea unui transplant hepatic este extrem de dificilă din cauza cererii mari și a ofertei limitate – aproximativ 9.000 până la 10.000 de persoane cu afecțiuni hepatice se află pe lista națională de transplant din SUA în orice moment, iar aproximativ 20% dintre acestea devin prea bolnave pentru a primi un transplant sau decedează în timp ce așteaptă.
Eforturi ambițioase sunt în curs de desfășurare pentru a permite, în viitor, ingineria de organe hepatice implantabile întregi. Cu toate acestea, până acum, dimensiunea maximă a constructelor hepatice create în laborator rămâne limitată și nu poate oferi beneficii terapeutice pentru pacienți. Acum, o echipă de cercetare de la Wyss Institute de la Universitatea Harvard, Universitatea Boston și MIT, condusă de Christopher Chen, M.D., Ph.D. și Sangeeta Bhatia, M.D., Ph.D., a abordat această problemă importantă dintr-un unghi diferit.
„Ne-am întrebat dacă ar fi posibil să implantăm întâi un construct hepatic de mici dimensiuni și apoi să-l determinăm să se extindă în organism după engraftare. Un ‘ficat satelit’ suficient de dezvoltat ar putea imediat să reducă sarcina metabolică a unui ficat afectat și să ajute la acoperirea timpului până când un transplant devine disponibil”, a declarat Chen. „Acest proiect a fost o extensie naturală a colaborării noastre de lungă durată în ingineria țesutului hepatic terapeutic și o combinație perfectă a expertizei lui Sangeeta în nanotehnologii și bioinginerie hepatică și a mea în ingineria celulară și vascularizare.”
Chen este, de asemenea, Profesor Distins de Inginerie Biomedică și Director al Biological Design Center de la Universitatea Boston. El este liderul Inițiativei de Inginerie a Organelor 3D de la Wyss Institute și echipa lider a proiectului ImPLANT, susținut de ARPA-H PRINT, care se concentrează pe ingineria organelor hepatice întregi la Wyss și instituțiile colaboratoare. Bhatia este, de asemenea, Profesor de Științe ale Sănătății și Tehnologie și de Inginerie Electrică și Informatică la Koch Institute for Integrative Cancer Research de la MIT și Investigator la Howard Hughes Medical Institute.
Echipa lui Chen și Bhatia, condusă de Amy Stoddard, Ph.D. (MIT ’25), care a dezvoltat strategia în cercetarea sa doctorală și apoi ca bursier postdoctoral, a integrat instrumente de inginerie a țesuturilor și biologie sintetică într-o strategie genetică denumită „creștere bioinginerată la cerere prin declanșarea biologiei sintetice”, sau pe scurt BOOST. Prin reconfigurarea expresiei genice a hepatocitelor hepatice primare și a celulelor fibroblastice de suport, au reușit să activeze eficient un program de creștere a țesutului în constructele hepatice mici, după implantarea acestora în șoareci. Rezultatele lor sunt publicate în Science Advances.
Semnalele verzi pentru creșterea ficatului inginerat
Pentru a putea induce creșterea unor constructe hepatice mici implantate în organismul unui receptor, cercetătorii au trebuit mai întâi să identifice semnalele relevante care să le permită acest lucru.
Având în vedere că creșterea hepatică este cunoscută ca fiind reglată de factori de creștere solubili, Stoddard a analizat o colecție de factori candidați pentru a identifica aceia care, atunci când erau adăugați la celulele hepatice primare umane (HEPs) cultivate, aveau cele mai puternice efecte de inducție a creșterii. „Am ajuns la un set de patru factori de creștere, HGF, TGFa, WNT2 și RSPO3, care au indus puternic HEPs dispersate să crească în vasul de cultură. Dar când am testat dacă aceștia ar putea face același lucru în țesuturi hepatice 3D formate din HEPs și fibroblasti dens împachetați, s-au dovedit a fi ineficienți”, a spus Stoddard, care a fost co-mentorat de Chen și Bhatia. „Acest lucru ne-a condus la ipoteza că trebuie să existe un mecanism suplimentar în HEP-urile umane care inhibă proliferarea celulară în condiții de densitate mare.”
Echipa a identificat o proteină intracelulară interesantă cunoscută sub numele de YAP, care percepe semnalele mecanice, care era cunoscută că se muta din citosolul celulelor în nucleu în condiții de densitate mică pentru a ajuta la exprimarea genelor implicate în proliferarea celulară. Cu toate acestea, în condiții de densitate mare, când celulele sunt comprimate, YAP este degradat în citosol, ceea ce împiedică activarea genelor țintă și restricționează proliferarea. „Este important de menționat că, atunci când am supraexprimat o versiune nedestructibilă a YAP în HEPs, care ajunge, de asemenea, în nucleu în condiții de densitate mare pentru a participa la reglarea genelor, am reușit să trecem peste acest punct de control al densității în HEPs. Interesant este că am constatat că HEP-urile trebuiau stimulate atât cu YAP, cât și cu factori de creștere pentru a crește în țesuturi hepatice 3D dens împachetate”, a adăugat Stoddard. „Deși aproape un secol de cercetări asupra regenerării hepatice a fost realizat pe rozătoare, demonstrăm în studiul nostru că reglarea creșterii ficatului uman este puțin mai complicată.”
Traducerea prin biologie sintetică
Pentru a induce în siguranță și a controla proliferarea HEP-urilor într-un organism viu și, în cele din urmă, la pacienți umani, cercetătorii au utilizat instrumente de biologie sintetică pentru a instala local controlul acestor căi de semnalizare în HEP-uri și celulele fibroblastice din țesuturile hepatice 3D inginerizate. Au inginerizat linii de celule fibroblastice care fiecare secreta unul dintre cei patru factori de creștere și HEP-uri care exprimau proteina YAP nedestructibilă. De asemenea, au făcut ca exprimarea tuturor proteinelor să fie „inducibilă”, ceea ce înseamnă că acestea erau produse doar în prezența unui antibiotic comun și inofensiv, doxycycline (DOX), și nu mai mult odată ce DOX este eliminat – un truc comun utilizat de biologi pentru a studia proteinele de interes într-un mod controlat. Echipa a determinat, în experimente de timp, că un tratament continuu de șapte zile cu DOX a dus la o expansiune robustă a țesutului hepatic 3D compus din celule inginerizate, iar îndepărtarea DOX a restituit HEP-urile într-o stare non-proliferativă. „Cu toate acestea, când am comparat expresia genică a celulelor individuale în țesutul hepatic 3D inginerizat BOOST, indus cu DOX, cu cea a celulelor din țesutul hepatic 3D non-inginerizat sau BOOST, non-indus, am observat că expansiunea a venit cu un compromis: ratele mari de proliferare au mers mână în mână cu un statut HEP mai puțin funcțional. Deși credem că acesta este un compromis natural observat într-o varietate largă de contexte biologice, sperăm să putem aborda acest
