Zespół badaczy zwraca uwagę na układ naczyniowy roślin, dzięki któremu są coraz bliżej rozwiązania poważnego problemu bioinżynieryjnego, blokującego regenerację tkanek i narządów ludzkich.

Naukowcy od bardzo dawna stają przed fundamentalnym wyzwaniem, starając się ulepszyć regenerację tkanki ludzkiej w małych próbkach laboratoryjnych do pełnych rozmiarów tkanek, kości, a nawet całych narządów. Mają nadzieję wykorzystania tego osiągnięcia w celach transplantachyjnych, w leczeniu chorób lub urazów traumatycznych. Pytanie brzmi jak stworzyć system naczyniowy, który dostarcza głęboko krew do rozwijającej się tkanki?

Obecne techniki bioinżynieryjne, w tym drukowanie 3D nie mogą wytwarzać rozgałęzionej sieci naczyń krwionośnych do rozmiarów małych kapilar, które są niezbędne do dostarczania tlenu, składników odżywczych i cząsteczek potrzebnych do prawidłowego wzrostu tkanek. Aby rozwiązać ten problem, multidyscyplinarny zespół badawczy w Worcester Polytechnic Institute (WPI), University of Wisconsin-Madison i Arkansas State University-Jonesboro z powodzeniem zwrócił swoją uwagę w stronę roślinności. Uczeni przedstawiają swoje wstępne wnioski w dokumencie "Przekraczanie królestw: używanie zdecelularyzowanych roślin jako rusztowań do perfuzji tkanek bioinżynieryjnych". Dokument został opublikowany online jeszcze przed majowym numerem 2017r magazynu „Biomaterials”.

"Rośliny i zwierzęta wykorzystują zasadniczo różne podejścia do transportu płynów, substancji chemicznych i makrocząsteczek. Jednakże istnieją zaskakujące podobieństwa w ich strukturach sieci naczyniowych" - napisali autorzy. Rozwój roślin pozbawionych komórek, przeznaczonych jako rusztowanie, stwarza potencjał dla nowej gałęzi nauki, która bada podobieństwa między roślinnością a zwierzętami.

W serii eksperymentów zespół hodował ludzkie komórki mięśnia sercowego na liściach szpinaku, które zostały pozbawione komórek roślinnych. Ich płyny i mikrocząsteki o wielkości zbliżonej do ludzkich krwinek płynęły przez naczynia szpinakowe, natomiast „żyły” szpinakowe odbierały płyny z ludzkich komórek odpowiadając naczyniom krwionośnym. Badania potwierdzające tę koncepcję otwierają drzwi do użytkowania liści szpinaku w rozwoju zdrowej tkanki mięśnia sercowego w labolatorium. Mogłoby to służyć w przyszłości leczeniu pacjentów z zawałem serca.

Ponadto też inne pozbawione komórek rośliny mogłyby być wykorzystywane w szerokim zakresie technologii inżynierii tkankowej. Choć naukowcy mają jeszcze wiele do zrobienia w tym temacie to dotychczasowe osiągniecia są obiecujące. Dostosowanie bujnych roślin, które rolnicy uprawiają od tysięcy lat do celów inżynierii tkanek może rozwiązywać wiele problemów ograniczających tą dziedzinę nauki.

Zespół badawczy zajmujący się tym projektem ma charakter interdyscyplinarny. Obejmuje profesorów z dziedziny biologii, biotechnologii, które zajmują się molekularnymi mechanizmami rozwoju komórek ludzkich, naukowców z dziedziny biologii roślin, nauk technicznych, inżynierii biomedycznej specjalizującej się w inżynierii tkanek naczyniowych. Zespół obejmuje także badaczy komórek macierzystych i roślinnych. „Kiedy masz ludzi z różnymi kompetencjami, którzy postrzegają problemy z różnych perspektyw, pojawiąją się nowe rozwiązania", podsumowują sami autorzy badania.

Pierwszym autorem artykułu jest Joshua Gerslak, absolwent studiów w pracowni Gaudette, który pomagał zaprojektować i prowadzić eksperymenty. To on opracował skuteczny proces usuwania komórek roślinnych z liści szpinaku poprzez przepływ przez żyły lub przepłukiwanie liści specjalnie przygotowanymi roztworami. Proces decelularyzacji to izolowanie macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) tkanki z jej komórek żyjących, pozostawiając rdzeń ECM oryginalnej tkanki, która może być stosowana w sztucznej regeneracji narządów i tkanek.

„Kiedy patrzyłem na liść szpinaku jego łodyżka przypomniała mi aortę, więc pomyślałem o perfuzji przez łodygę. Nie byliśmy pewni, czy to zadziała, ale okazało się, że jest to całkiem proste i powtarzalne. To działa już w wielu innych zakładach. ", powiedział Gershlak.

Kiedy komórki roślinne są wypłukane, pozostaje szkielet wykonany głównie z celulozy, substancji naturalnej, która nie jest szkodliwa dla ludzi. "Celuloza jest biokompatybilna i była stosowana już w szerokim zakresie medycyny regeneracyjnej, takich jak chirurgia tkanki chrzęstnej, inżynieria tkanki kostnej i gojenie się ran", relacjonują autorzy.

Oprócz liści szpinaku, zespół z powodzeniem usunął komórki z pietruszki, bylicy rocznej i korzeni orzeszków ziemnych. Oczekuje, że technika będzie działać z wieloma gatunkami roślin, które można przystosować do specjalistycznych badań regeneracyjnych tkanek. "Liście szpinaku mogą być lepiej dostosowane do tkanek wysoko unaczynionych, takiej jak mięsień sercowy, podczas gdy cylindryczna pusta struktura trzonu niecierpka pomarańczowego może lepiej pasować do przeszczepu tętnicy. Z koleji kolumny naczyniowe z drewna mogą być użyteczne w inżynierii kości z powodu ich względnej wytrzymałości i geometrii ", relacjonują autorzy.

Wykorzystanie roślin jako podstawy do inżynierii tkankowej ma również ekonomiczne i środowiskowe korzyści. Wykorzystując rusztowania tkanek roślinnych możemy ominąć liczne ograniczenia i wysokie koszty produkcji syntetycznych, złożonych materiałów - rośliny mogą być łatwo uprawiane przy użyciu dobrych praktyk rolniczych w kontrolowanych środowiskach. Łącząc tkankę roślinną przyjazną dla środowiska z decelularyzajcą opartą na perfuzji wykazaliśmy, że może istnieć nienaruszające równowagę ekologiczną rozwiązanie rusztowań do unaczynienia tkanek.

Naukowcy potwierdzają kontynuację badań. Dalsze prace skupią się na optymalizacji procesu decelularyzacji i na charakteryzowaniu różnych typów komórek ludzkich, które potencjalnie mogłyby być odżywiane przez rusztowania roślinne. Naukowcy również rozpoczną pracę nad wtórną siecią naczyniową, odprowadzającą krew i płyny z tkanki ludzkiej. Główny autor badań Joshua Gershlak zaprezentował technologię i swoje wczesne wyniki badań w Narodowej Akademii Wynalaców w Bostonie, gdzie ponad 200-stu wykwalifikowanych wynalazców i liderów w dziedzinie technologii szczegółowo będzie opisywać swoje pracę.

Źródło: sciencedaily.com