Hao Liu koristi lasere za proizvodnju mikrofilamentnih struktura za uzgoj biološkog tkiva u laboratoriji za istraživanje i medicinu—od mišićnog tkiva do hrskavice. Sada radi na pripremi ove tehnologije za tržište.
U Japanu je Hao Liu prvi put došao u kontakt sa proizvodnjom biološkog tkiva u posudi za ćelijsku kulturu. „Tokom magistarskih studija na Univerzitetu u Osaki, radio sam na projektu u kojem smo koristili 3D štampač da uzgajamo meso od goveda Vagiu“, kaže Liu.
Vagju govedina se smatra jednim od najnežnijih, najsočnijih i najskupljih mesa na svetu. Istraživači su stoga pokušali da ga ponovo stvore u laboratoriji. „Tada sam naučio da možete razviti nešto relevantno i napraviti razliku rastom tkiva.“
Liu je započeo studije u Kini. Preselio se u Osaku na master studije i doktorirao je na ETH Cirihu od 2020. Upravo je završio doktorat. Već je obezbedio ETH Pioneer Fellovship, koju namerava da iskoristi za razvoj novog uređaja koji proizvodi tkivo sa mikrofilamentnim strukturama i priprema ga za tržište.
Takve mikrostrukture se nalaze u celom našem telu. Ćelije u našim mišićima, tetivama, vezivnom tkivu i nervnom sistemu nisu raspoređene nasumično, već prate jasne obrasce. Oni daju tkivu i stabilnost i fleksibilnost i pomažu mu da obavlja svoje različite funkcije.
Na primer, ćelije i vlakna mišićnog tkiva su visoko poravnati tako da se mišići mogu kontrahovati. U tetivama, koje povezuju mišić sa kostima, ćelije moraju biti organizovane tako da tetive mogu da izdrže ogromne zatezne sile. I nervno tkivo takođe treba da bude usklađeno tako da se signali mogu prenositi između ćelija.
Kada istraživači izrađuju takva tkiva u laboratoriji, moraju da repliciraju takva poravnanja. U mnogim slučajevima to postižu tako što prvo proizvode veštačku, ali biokompatibilnu 3D skelu sa usklađenim mikrostrukturama. Istraživači zatim uzgajaju ćelije na i u ovoj skeli da bi formirali savršeno strukturirano tkivo.
U budućnosti, ovo se može koristiti kao zamenski materijal u hirurgiji – na primer u regeneraciji perifernih nerava nakon ozbiljnih povreda. Pored toga, takvi konstrukti tkiva mogu se koristiti za istraživanje bolesti i testiranje lekova kao in vitro modeli tkiva, čime se smanjuju testiranje na životinjama. Ili bi se mogli koristiti za proizvodnju kultivisanog mesa u laboratoriji, kao što je to uradio Liu u Japanu.
U ETH-u, Liuov naporan rad, plus malo sreće, doveli su do njegovog otkrića nove metode za proizvodnju skele za tkivo sa visoko poravnatim i izuzetno finim filamentima. Izgradio je dobro poznati proces i koristio hemijski modifikovani želatin koji reaguje na svetlost.
Želatin počinje kao tečnost. „Tamo gde ga izložimo laserom, on se učvršćuje u hidrogel. Gde god laser ne može da dosegne, želatin ostaje tečan“, objašnjava Liu. Ciljana primena lasera može proizvesti prilagođene trodimenzionalne hidrogelne strukture.
Liu je nastavio da testira ovaj proces štampanja. Umalo je bacio neke od obradaka hidrogela, ali ih je umesto toga ostavio na stranu. Kada ih je kasnije ponovo izvadio, prvo je primetio nešto golim okom, a zatim je to potvrdio pod mikroskopom: Hidrogelne strukture su se sastojale od izuzetno finih filamenata, umesto da budu ujednačene.
„Marsi Zenobi-Vong, profesorka koja je nadgledala moju doktorsku tezu, i ja smo bili oduševljeni“, priseća se Liu. On je stvorio mikrofilamente u hidrogelu sa prečnikom sličnim komponentama vlakana koje se nalaze u mnogim telesnim tkivima. Zatim je uzgajao ćelije u ovoj hidrogelskoj skeli kako bi proizveo usklađene konstrukte tkiva. „Da sam tada bacio obradke, ne bih bio tu gde sam danas.
Liu je počeo da proučava literaturu o fizici i shvatio da dobro poznati optički fenomen stvara mikrofilamente u njegovim hidrogelnim skelama. Svetlost u laserskom snopu nije podjednako intenzivna. Analiza poprečnog preseka laserskog zraka sa mikroskopskom rezolucijom otkriva da intenzitet svetlosti podseća na tačku: na nekim mestima je izuzetno visok, na drugim prilično nizak.
Ako se materijal osetljiv na svetlost učvrsti laserskim zrakom, on se ne stvrdne ravnomerno, već se umesto toga pojavljuje konstrukt paralelnih struktura gela nalik na niti. Između ovih gel filamenata postoje prostori nalik kanalima. I filamenti i kanali imaju prečnik od oko 2 do 20 mikrometara. Ako su ćelije inkapsulirane u ovu hidrogelnu skelu, one mogu rasti u kanalima. Rezultat je usaglašena struktura tkiva koja je veoma slična prirodnoj strukturi mnogih telesnih tkiva.
„Optički fenomen koji stvara mikrostrukture filamenta u gelu odavno je poznat fizičarima i naučnicima o materijalima“, kaže Liu. „Ali to još nije korišćeno u biologiji; mi smo prvi.“
Zajedno sa studentima industrijskog dizajna sa Univerziteta umetnosti u Cirihu, Liuov tim je završio dizajn za prototip štampača za proizvodnju takvih filamentiranih hidrogelnih skela za poravnata tkiva. Uz pomoć Pioneer Fellovship, Liu sada želi da na tržište izbaci kompaktni bioštampač.
„Kao prvi korak, želimo da tehnologiju i štampač učinimo dostupnim drugim naučnicima kako bi i oni mogli da proizvedu takva usklađena tkiva i da ih koriste u svojim istraživanjima“, kaže Liu. „Nekoliko laboratorija je već izrazilo interesovanje.
Istovremeno, želi da razvije različite modele tkiva, kao što su mišićno tkivo ili tetive. „Naš cilj je da stvorimo modele ljudskog tkiva za visoko propusni skrining lekova i druge aplikacije.“ Kao rezultat toga, budući poslovni potencijal vidi ne samo u prodaji uređaja već iu razvoju i prodaji tkiva za istraživanje i medicinu.
Sa tehnologijom, Liuova laboratorija je već uspela da proizvede konstrukcije mišića, tetiva, nerava i hrskavice. Tehnologiju je patentirao ETH Cirih. „Naša tehnologija je pogodna za širok spektar primena“, kaže Liu.
„Čak je i zamislivo da bi se ovo moglo koristiti u budućnosti za proizvodnju nervnih kanala koji se mogu transplantirati pacijentima koji pate od povreda nerava.“ Ili da proizvodi meso uzgojeno u laboratoriji, kako je naučio u Japanu.
Naučnik koji je mnogo putovao definitivno želi da ostane u Švajcarskoj narednih nekoliko godina kako bi video razvoj tehnologije. A posle toga? Da li želi da se preseli negde drugde? To je svakako mogućnost. Možda će otići u SAD. „U svakoj zemlji naučio sam o različitim fokusima istraživanja i različitim istraživačkim kulturama. Odlazak u novo okruženje me mnogo motiviše. Mislim da vam pomaže da preispitate šta ste do sada radili. i da se razvija kao ličnost“, objašnjava on.
Japan je poznat po istraživanju matičnih ćelija, kaže Liu. Tamo je video kako vlada naručuje istraživačke projekte i kako istraživačke grupe onda te projekte realizuju prema strogim specifikacijama. U Švajcarskoj je doživeo upravo suprotno: veliku akademsku slobodu koju mu je tokom doktorske teze dao i njegov mentor Zenobi-Vong. To mu je omogućilo da lako prilagodi fokus svog rada nakon njegovog otkrića.
On takođe ceni evropsku naučnu kulturu i ETH posebno zbog inženjerskog pristupa koji naglašava. Sa njegove tačke gledišta, ovo su odlični uslovi da zajedno sa svojim timom i partnerima razvije tehnologiju i iznese je na tržište, kao što on sada radi.
