Исследователи сталкиваются с фундаментальной проблемой, поскольку они стремятся масштабировать регенерацию тканей человека от небольших лабораторных образцов до полноразмерных тканей, костей и даже целых органов для имплантации людям для лечения болезней или травм: как установить сосудистую система, доставляющая кровь вглубь развивающейся ткани.
Существующие методы биоинженерии, включая 3D-печать, не могут создать разветвленную сеть кровеносных сосудов вплоть до капиллярного масштаба, которая необходима для доставки кислорода, питательных веществ и основных молекул, необходимых для правильного роста тканей. Чтобы решить эту проблему, многопрофильная исследовательская группа из Вустерского политехнического института (WPI), Висконсинского университета в Мэдисоне и Арканзасского государственного университета в Джонсборо успешно обратилась к растениям. Они сообщают о своих первоначальных выводах в статье «Пересечение королевств: использование децеллюрализованных растений в качестве пригодных для перфузии каркасов тканевой инженерии», опубликованной в Интернете перед выпуском журнала Biomaterials за май 2017 года.
«Растения и животные используют принципиально разные подходы к транспортировке жидкостей, химических веществ и макромолекул, но в структурах их сосудистой сети есть удивительное сходство», - пишут авторы. «Разработка децеллюляризованных растений для строительных лесов открывает потенциал для новой отрасли науки, которая исследует мимикрию между растениями и животными."
В ходе серии экспериментов команда культивировала бьющиеся клетки человеческого сердца на листьях шпината, лишенных растительных клеток. Они пропускали жидкости и микрогранулы, по размеру схожие с клетками крови человека, через сосудистую сеть шпината и засевали вены шпината человеческими клетками, которые выстилают кровеносные сосуды. Эти экспериментальные исследования открывают двери для использования нескольких листьев шпината для выращивания слоев здоровой сердечной мышцы для лечения пациентов с сердечным приступом.
Другие децеллюляризированные растения могут стать основой для широкого спектра технологий тканевой инженерии. «Нам предстоит еще много работы, но пока это очень многообещающе», - сказал Гленн Годетт, доктор философии, профессор биомедицинской инженерии в WPI и соответствующий автор статьи. «Адаптация обильных растений, которые фермеры выращивали на протяжении тысячелетий, для использования в тканевой инженерии может решить множество проблем, ограничивающих поле».
Кроме Годетт, в исследовательскую группу WPI входят Таня Доминько, доктор философии, доктор медицинских наук, доцент кафедры биологии и биотехнологии, изучающая молекулярные механизмы развития клеток человека; Памела Уэзерс, доктор биологических наук, профессор биологии и биотехнологии, биолог растений; и Марша Ролле, доктор философии, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии, специализирующаяся на инженерии сосудистой ткани. В совместную команду также входят исследователи стволовых клеток человека и биологии растений из Висконсина и Арканзаса. «Этот проект говорит о важности междисциплинарных исследований, - сказал Годетт. «Когда у вас есть люди с разным опытом, которые подходят к проблеме с разных точек зрения, могут появиться новые решения».
Первым автором статьи является Джошуа Герслак, аспирант лаборатории Годетт, который помог спланировать и провести эксперименты, а также разработал эффективный процесс удаления растительных клеток из листьев шпината путем пропускания или «перфузии» раствора моющего средства. по жилкам листьев. «Раньше я проводил децеллюляризацию человеческих сердец, и когда я посмотрел на лист шпината, его стебель напомнил мне аорту. Поэтому я подумал, давайте проведем перфузию прямо через стебель», - сказал Гершлак. «Мы не были уверены, что это сработает, но оказалось, что это довольно просто и воспроизводимо. Это работает на многих других заводах».
Когда растительные клетки смываются, остается каркас, состоящий в основном из целлюлозы, природного вещества, безвредного для человека. «Целлюлоза биосовместима (и) использовалась в самых разных областях регенеративной медицины, таких как инженерия хрящевой ткани, инженерия костной ткани и заживление ран», - пишут авторы.
Помимо листьев шпината, ученые успешно удалили клетки из петрушки, Artemesia annua (сладкой полыни) и волосистых корней арахиса. Они ожидают, что этот метод будет работать со многими видами растений, которые можно будет адаптировать для специализированных исследований регенерации тканей. «Листья шпината могут лучше подходить для ткани с большим количеством сосудов, такой как сердечная ткань, тогда как цилиндрическая полая структура стебля Impatiens capensis (драгоценность) может лучше подходить для артериального трансплантата. И наоборот, сосудистые столбики из дерева могут быть полезны. в костной инженерии из-за их относительной прочности и геометрии», - пишут авторы.
Использование растений в качестве основы для тканевой инженерии также имеет экономические и экологические преимущества. «Используя безвредный химический состав каркасов из растительных тканей, мы смогли устранить многие ограничения и высокую стоимость синтетических сложных композитных материалов. Растения можно легко выращивать, используя передовые методы ведения сельского хозяйства и в контролируемых условиях. на основе децеллюляризации, мы показали, что может быть устойчивое решение для предварительно васкуляризированных каркасов тканевой инженерии».
В WPI исследования продолжаются по нескольким направлениям, сказал Годетт, с исследованиями, направленными на оптимизацию процесса децеллюляризации и дальнейшую характеристику того, как различные типы клеток человека растут, пока они прикреплены к растительным каркасам и потенциально питаются ими.. Кроме того, будет изучена разработка вторичной сосудистой сети для оттока крови и жидкостей из тканей человека. 7 апреля 2017 года Гершлак представит технологию и первые результаты в качестве приглашенного докладчика на открытии Студенческой выставки инноваций Национальной академии изобретателей в Бостоне, где он подробно расскажет о работе более 200 опытных изобретателей и лидеров коммерциализации технологий.