Wąskim gardłem ograniczającym dopuszczenie sztucznych narządów do użytku klinicznego pozostaje dotychczasowy brak wydajnego układu naczyniowego. Rozwiązania takie jak sztuczne rusztowania zawierające czynniki pro-angiogeniczne czy tworzenie sieci naczyń z użyciem drukarek 3D wciąż nie w pełni naśladują naturalny układ naczyń włosowatych. Wydajny układ naczyniowy musi zapewnić dostęp tlenu do wszystkich partii narządu, z uwzględnieniem maksymalnego zasięgu dyfuzji wynoszącego 100-200 µm. Aby w pełni naśladować budowę naczyń włosowatych, najmniejsze kapilary muszą osiągać średnicę poniżej 10 µm, a jednocześnie umożliwiać przepływ czerwonych krwinek.
Inspiracją dla stworzenia nowego typu organu było wyjście poza królestwo zwierząt. Nie bez przyczyny bowiem wiązki przewodzące w liściach roślin przypominają układ naczyniowy ssaków – zarówno pod względem funkcji, jak i hierarchicznej organizacji. Badacze z Worcester Polytechnic Institute, Worchester, MA (USA) przeprowadzili eksperyment, w którym wykorzystali wiązki przewodzące liścia szpinaku i powlekli je ludzkimi komórkami.
Rusztowanie mające posłużyć do budowy organu pozyskano na drodze decelularyzacji – techniki usuwania komórek z zastosowaniem jonowych i niejonowych detergentów, którą wykorzystywano także w przypadku rusztowań odzwierzęcych. Struktura pozostała po takim traktowaniu składa się wyłącznie z macierzy zewnątrzkomórkowej, którą w przypadku roślin tworzą celuloza, pektyna i hemiceluloza, tj. polimery, które już niejednokrotnie wykorzystywano jako materiały biokompatybilne (na temat zastosowania bionanocelulozy pisaliśmy m. in. w tym artykule), zaś ściany naczyń tworzy głównie lignina.
Pozbawione komórek roślinnych rusztowanie inkubowano następnie z fibronektyną i pokryto komórkami ludzkimi – do wnętrza naczyń wprowadzono endotelialne komórki HUVEC (ang. human umbilical vein endothelial cells), zaś od zewnętrznej strony rusztowanie pokryto komórkami hMSCs (ludzkie mezenchymale komórki macierzyste) oraz hPS-CMs (ludzkie kardiomiocyty wyprowadzone z pluripotentnych komórek macierzystych pochodzenia embrionalnego). Hodowlę tkanek prowadzono przez 21 dni obserwując częściowe pokrycie rusztowania przez komórki ludzkie, które zachowały swoje funkcje fizjologiczne - obserwowano m. in. kurczliwość kardiomiocytów i prawidłowy metabolizm wapnia. Naczynia szpinaku były w pełni drożne i zdolne do transportu cząstek o średnicy do 10 µm.
Opublikowane wyniki badań stanowią proof of concept w wykorzystaniu materiału roślinnego do zastosowań inżynierii tkankowej. Oprócz liści szpinaku, decelularyzacji poddano także liście pietruszki, bylicy rocznej oraz korzenie włosowate orzechowca, wskazując na szerokie spektrum możliwości w zależności od pożądanego układu naczyń i ich składu chemicznego.
Zanim jednak połączenie królestw roślin i zwierząt znajdzie zastosowanie w praktyce klinicznej, należy spełnić szereg dodatkowych warunków. Cele, które wciąż nie zostały osiągnięte to m. in.: a) całkowite pokrycie rusztowania roślinnego tkanką ludzką; b) dostosowanie budowy naczyń tak, aby odzwierciedlały różnice w funkcji tętnic i żył; c) sposób połączenia tak stworzonego organu z ciałem człowieka oraz ocena odpowiedzi immunologicznej.
Niemniej, hodowla organów z użyciem rusztowań roślinnych jest perspektywą bardziej ekologiczną i opłacalną w stosunku do hodowli z użyciem materiałów odzwierzęcych. Zaprezentowane podejście z pewnością stanowi krok milowy w dziedzinie inżynierii tkankowej i zielonej biotechnologii.
KOMENTARZE