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.
Komentarze
[ z 5]
Jeśli liście szpinaku do tego celu się nadają, to dlaczego by ich nie wykorzystywać do hodowli ludzkich tkanek. Jasne, że może się wydawać dziwnym, że roślina typowo spożywcza może znaleźć zastosowanie w bioinżynierii. Ale jeśli znajduje i to z powodzeniem nadając się do hodowli ludzkich komórek, to dlaczego by nie wykorzystywać każdej z możliwości? Najważniejsze, aby rosły możliwości leczenia pacjentów i oby medycyna w ogóle szła na przód. A co będziemy w tym celu wykorzystywać to już kwestia drugorzędna. Zwłaszcza, że mowa jest o produktach naturalnych, które nie powinny okazać się szkodliwe dla organizmu człowieka.
Od dawna wiadomo, że system naczyniowy roślin jest bardzo podobny to systemu naczyniowego zwierząt. Gdy roślina napotyka "problem" wykształca naczynia, które pomagają ją odżywić. To wspaniałe zjawisko. Tak samo sytuacja wygląda u zwierząt. tkanki, które nie mają dostępu do substancji odżywczych umierają. Bardzo ciekawy artykuł. Nigdy nie wpadłabym na pomysł, że liści szpinaku można użyć do hodowli komórek ludzkiego organizmu. Techniki biotechnologiczne są jednak coraz bardziej zaawansowane. Dobrze, że przy pomocy roślin można przezwyciężyć przeciwności na drodze do hodowania tkanek ludzkich.
Na czymkolwiek by nie wyhodowano komórek mięśnia sercowego, które można by zastosować w leczeniu ludzi to jestem jak najbardziej za i aprobuję takie pomysły. Od dawna z resztą wiadomo, że szpinak jest zdrowy, więc raczej kontrowersji związanych z jego wykorzystaniem jako gruntu pod ludzkie tkanki być nie powinno. Nie rozumiem trochę sugestii z poprzednich komentarzy, że system naczyniowy roślin jest podobny do układu krwionośnego w świecie zwierząt. Ale jeśli szpinak działa, to dlaczego by go nie stosować, dla dobra ludzkości? Oby jak najszybciej udało się naukowcom otrzymać pozytywne wyniki swoich prac i wprowadzić hodowle na szerszą skalę.
Interesujące wieści ze świata nauki. Chociaż zdaję sobie sprawę, że jeszcze sporo czasu upłynie zanim będzie można ocenić pierwsze rezultaty osiągnięte dzięki próbą wyhodowania komórek mięśnia sercowego na liściach szpinaku to jednak już dzisiaj jestem pełen nadziei i optymizmu. Biorąc pod uwagę, że to właśnie choroby sercowo-naczyniowe stanowią w dalszym ciągu główną przyczynę zgonów, przede wszystkim w wyniku niepożądanych, nagłych zdarzeń sercowych jak na przykład zawały, to jestem zdania, że byłoby bardzo dobrym kierunkiem zmian, gdyby udało się w tym miejscu opracować metodę produkcji komórek mięśnia sercowego, którymi można by zastąpić i odbudować te uszkodzone na przykład w wyniku niedokrwienia podczas zawału komórki pacjenta. Liczę na to, że w najbliższych latach technologia pójdzie na tyle na przód że stanie się to możliwe. Dzisiaj jednak możemy tylko obserwować poczynania naukowców i mieć nadzieję, że w przyszłości ich badania zakończą się innowacyjnym lekarstwem możliwym do zastosowania w leczeniu mięśnia sercowego i który przyniesie wiele zmian na lepsze. Przede wszystkim w życiu pacjentów, u których doszło do nieodwracalnych zmian w pompie układu krążenia.
W czasie epidemii SARS-CoV-2 w Europie liczba procedur kardiologii interwencyjnej podejmowanych w terapii zawału serca STEMI zmniejsza się średnio o około 20 procent, a w zawale serca NSTEMI nawet o 30 procent. Główny spadek liczby wykonywanych procedur kardiologii interwencyjnej związany jest z obawą pacjentów przed zgłoszeniem do placówek medycznych. Uzyskane w europejskich analizach dane wskazują również na znaczące opóźnienie w realizacji procedur kardiologii interwencyjnej w odniesieniu do wystąpienia pierwszych objawów zawału serca. W wielu przypadkach pacjenci próbują samemu podejmować leczenie. Dopiero nasilające objawy duszności i bólu w klatce piersiowej skłaniają ich do poszukiwania pomocy. Wiąże się to ze zwiększoną liczbą przypadków najcięższych postaci zawału serca, towarzyszących niewydolności serca, a co za tym idzie większego ryzyko powikłań i konieczność zastosowania złożonych i skomplikowanych procedur kardiologii interwencyjnej. Coraz więcej aplikacji pomaga w kontrolowaniu naszego stanu zdrowia. Nie dotyczy to jedynie aktywności sportowych, ale przydaje się też do monitorowania przebiegu różnych chorób. Analiza głosu przy wykorzystaniu aplikacji na smartfona, pozwala na wykrycie przekrwienia płuc u pacjentów z niewydolnością serca. Pozwoli to na wcześniejszą interwencję lekarza, zanim stan zdrowia chorego ulegnie pogorszeniu. Przeprowadzono badania na 40 pacjentach z ostrą niewydolnością serca. Każdy z nich nagrał próbkę swojego głosu, który został przeanalizowany przez program. Przekrwienie płuc przyczyniało się do subtelnych zmian w mowie, które bardzo dokładnie wychwyciła aplikacja. Jeżeli pojawią się pierwsze objawy, aplikacja je “wychwyci” i natychmiast przekaże takie informacje lekarza, który przepisze właściwe leki. Można będzie w ten sposób zareagować zanim stan pacjenta się pogorszy.Środowisko pacjentów wskazują na poprawę swojej sytuacji w konkretnych działaniach. Mowa o powszechnym dostępie do Koordynowanej Opieki nad pacjentem z Niewydolnością Serca, a także w dostępie do optymalnej terapii, która zmniejsza śmiertelność, redukuje liczbę uciążliwych hospitalizacji będących konsekwencją zaostrzeń choroby, a także korzystnie wpływają na tak ważną dla chorych jakość życia. Liczba hospitalizacji z powodu niewydolności serca jest w Polsce 2,5-krotnie wyższa niż średnia dla wszystkich 36 krajów OECD. Co godzinę umiera w naszym kraju 16 osób z rozpoznaną niewydolnością serca. To główna przyczyna zgonów w Polsce. Co roku zabija ona 140 tysięcy osób. Eksperci wskazują, że od momentu rozpoznania choroby aż 40,6 procent pacjentów nie przeżywa 5 lat życia. Niewydolność serca gorzej rokuje niż jego zawał, rak prostaty czy jelita grubego. Konieczne jest więc wprowadzenie modyfikacji w opiece nad pacjentami w naszym kraju, ale nie można zapominać o tym, że to jak będzie wyglądało ich zdrowie i życie zależy w większości od nich samych. Kolejnym z takich działań, które ma to zmienić jest rozpoczęciu pilotażu Krajowej Sieci Kardiologicznej (KSK) w województwie mazowieckim, który ma się skupiać na diagnozowaniu i leczeniu kilku podstawowych chorób sercowo-naczyniowych takich jak zaburzenia rytmu serca, niewydolności serca, chorób zastawek, które są coraz częstszą przyczyną problemów zdrowotnych w naszym społeczeństwie, a także nadciśnienia tętniczego. Elektroterapia polegająca na zastosowaniu stałej stymulacji serca, nazywana stymulacją resynchronizującą, może pomóc pewnej grupie pacjentów z niewydolnością serca. Zaburzona sekwencja skurczu komór serca w wielu przypadkach jest związana z jego niewydolnością. Wielu chorym mogą jednak pomóc wszczepiane aparaty takie jak stymulatory i kardiowertery-defibrylatory z funkcją resynchronizacji. Ułatwiają one uporządkować skurcze serca i poprawiają samopoczucie pacjenta. Resynchronizacja polega na jednoczesnej stymulacji prawej i lewej komory serca. Ma to istotne znaczenie w przypadku osób z blokiem lewej odnogi pęczka Hisa, czyli przypadłością charakterystyczną dla chorych z zaawansowaną niewydolnością serca. Resynchronizacja stosowana jest u osób z tzw. dyssynchronią skurczu i zaawansowaną niewydolnością serca. Tylko w takiej sytuacji ta metoda terapii ma sens. Nie należy jednak wykonywać jej zbyt późno, bo prawdopodobieństwo związane z jej użyciem może przewyższyć oczekiwane korzyści.W naszym kraju na 100 Polaków w przedziale wiekowym 40-44 lata, zawał przechodzi średnio 121 mężczyzn i 25 kobiet.Nawet 90 procent osób, które przeszły zawał serca przed czterdziestym rokiem życia to osoby palące papierosy. Zawał u kobiet bywa bardzo często nieprawidłowo rozpoznany i niewłaściwie wyleczony ponieważ symptomy nie są tak oczywiste. W przypadku młodych kobiet prawdopodobieństwo wystąpienia zawału serca jest na dosyć niskim poziomie, ale drastycznie wzrasta po 50 roku życia. Wraz ze spadkiem poziomu estrogenu w organizmie kobiety, związanego z menopauzą zawał serca u kobiet jest zjawiskiem równie powszechnym, jak zawał serca mężczyzn. Kobiety rzadziej trafiają do szpitala z powodu rozpierającego bólu zamostkowego, który promieniuje do żuchwy, pleców czy przedramienia. Częściej występujące symptomy to duszności, uderzenia gorąca mdłości i uczucie niestrawności, zawroty głowy, nagłe osłabienie czy zmęczenie jak w przypadku przebiegu grypy, bóle pleców.Ryzyko wystąpienia zawału serca u kobiet jest też dużo większe niż w przypadku mężczyzn. Oprócz standardowych czynników, które zwiększają zachorowalność, takich jak palenie papierosów, długotrwały i silny stres, choroba wieńcowa, nadciśnienie, miażdżyca, cukrzyca, czynniki genetyczne czy wysoki poziom “złego” cholesterolu, zawał u kobiet może wystąpić w wyniku powikłań ciąży czy usunięcia macicy. Same kobiety często bagatelizują wcześniej wspomniane symptomy, kojarząc je z menopauzą, a nie zawałem. W takim wypadku nie warto zwlekać z wezwaniem karetki, ponieważ fachowa i co najważniejsze, skuteczna pomoc musi nastąpić jak najszybciej.Dopiero od jakiegoś czasu naukowcy zaczęli analizować różnice między zawałem serca u kobiet i mężczyzn, ponieważ nie tylko objawy, ale także metody leczenia w przypadku obydwu płci są równe. Do tej pory naukowcy bardziej skupiali się na mężczyznach w swoich badaniach, dlatego zarówno prowadzone badania, jak i dopuszczone do obrotu leki, nie brały pod uwagę przebiegu choroby u kobiet. Kobiety są również rzadziej kierowane na specjalistyczne badania i testy diagnostyczne, ponieważ ryzyko wystąpienia zawału serca jest niedoszacowane. Ponadto niektóre testy skonstruowane są w ten sposób, że dają fałszywe wyniki u kobiet, ponieważ były opracowywane z myślą o mężczyznach. To wszystko sprawia, że kobiety są później niż mężczyźni kierowani na badania, a leczenie wdrażane jest za późno. Trwałe uszkodzenie serca zwykle prowadzi do jego niewydolności. Osoby z tą chorobą wymagają właściwej, koordynowanej opieki oraz właściwej farmakoterapii, która pozwala uniknąć zaostrzeń choroby. Bez tego bardzo szybko ponownie dochodzi u nich do epizodu kardiologicznego, który kończy się hospitalizacją i pogorszeniem stanu zdrowia lub wręcz śmiercią.W początkowym okresie pandemii pacjenci byli zaniepokojeni doniesieniami dotyczącymi wzrastającej liczby zakażeń. Dodatkowo przekazywano dane o przypadkach stwierdzania ognisk COVID-19 w placówkach opieki i ośrodkach ochrony zdrowia, głównie w domach pomocy społecznej i szpitalach. Pacjenci stawali przed bardzo trudnym wyborem: odczuwali dotkliwe objawy, które mogły świadczyć o zawale serca, ale jednocześnie obawiali się przyjazdu do szpitala, gdzie w ich przekonaniu istniało realne zagrożenie zakażenia koronawirusem. Pacjenci obawiali się zachorowania i trudnych do przewidzenia powikłań infekcji. W marcu i kwietniu lęk przed COVID-19 często zwyciężał z decyzją o zgłoszeniu się do ośrodka.Dane systemu Państwowego Ratownictwa Medycznego wskazują, że w marcu i kwietniu ubiegłego roku liczba wezwań pacjentów z bólem w klatce piersiowej spadła o kilkanaście procent.