WPI Team Grows Heart Tissue on Spinach Leaves / Il gruppo WPI fa crescere il tessuto cardiaco su foglie di spinaci.

WPI Team Grows Heart Tissue on Spinach LeavesIl gruppo WPI fa crescere il tessuto cardiaco su foglie di spinaci.


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa


Researchers turn to the vascular system of plants to solve a major bioengineering problem blocking the regeneration of human tissues and organs.


Researchers face a fundamental challenge as they seek to scale up human tissue regeneration from small lab samples to full-size tissues, bones, even whole organs to implant in people to treat disease or traumatic injuries: how to establish a vascular system that delivers blood deep into the developing tissue.
Current bioengineering techniques, including 3-D printing, can’t fabricate the branching network of blood vessels down to the capillary scale that are required to deliver the oxygen, nutrients, and essential molecules required for proper tissue growth. To solve this problem, a multidisciplinary research team at Worcester Polytechnic Institute (WPI), the University of Wisconsin-Madison, and Arkansas State University-Jonesboro have successfully turned to plants. They report their initial findings in the paper “Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds” published online in advance of the May 2017 issue of the journal Biomaterials. 
Plants and animals exploit fundamentally different approaches to transporting fluids, chemicals, and macromolecules, yet there are surprising similarities in their vascular network structures,” the authors wrote. “The development of decellularized plants for scaffolding opens up the potential for a new branch of science that investigates the mimicry between plant and animal.”
In a series of experiments, the team cultured beating human heart cells on spinach leaves that were stripped of plant cells. They flowed fluids and microbeads similar in size to human blood cells through the spinach vasculature, and they seeded the spinach veins with human cells that line blood vessels. These proof-of-concept studies open the door to using multiple spinach leaves to grow layers of healthy heart muscle to treat heart attack patients. 


Other decellularized plants could provide the framework for a wide range of tissue engineering technologies. “We have a lot more work to do, but so far this is very promising,” said Glenn Gaudette, PhD, professor of biomedical engineering at WPI and corresponding author of the paper. “Adapting abundant plants that farmers have been cultivating for thousands of years for use in tissue engineering could solve a host of problems limiting the field.”
In addition to Gaudette, the WPI research team includes Tanja Dominko, PhD, DVM, associate professor of biology and biotechnology, who studies molecular mechanisms of human cell development; Pamela Weathers, PhD, professor of biology and biotechnology, a plant biologist; and Marsha Rolle, PhD, associate professor of biomedical engineering, who focuses on vasculature tissue engineering. The collaborative team also includes human stem cell and plant biology researchers at Wisconsin and Arkansas. “This project speaks to the importance of interdisciplinary research,” Gaudette said. “When you have people with different expertise coming at a problem from different perspectives, novel solutions can emerge.”
The paper’s first author is Joshua Gershlak, a graduate student in Gaudette’s lab, who helped design and conduct the experiments, and who developed an effective process for removing plant cells from spinach leaves by flowing or “perfusing” a detergent solution through the leaves’ veins. “I had done decellularization work on human hearts before," Gershlak said, "and when I looked at the spinach leaf its stem reminded me of an aorta. So I thought, let’s perfuse right through the stem. We weren’t sure it would work, but it turned out to be pretty easy and replicable. It’s working in many other plants.”
When the plant cells are washed away what remains is a framework made primarily of cellulose, a natural substance that is not harmful to people. “Cellulose is biocompatible (and) has been used in a wide variety of regenerative medicine applications, such as cartilage tissue engineering, bone tissue engineering, and wound healing,” the authors wrote.


In addition to spinach leaves, the team successfully removed cells from parsley, Artemesia annua (sweet wormwood), and peanut hairy roots. They expect the technique will work with many plant species that could be adapted for specialized tissue regeneration studies. “The spinach leaf might be better suited for a highly vascularized tissue, like cardiac tissue, whereas the cylindrical hollow structure of the stem of Impatiens capensis (jewelweed) might better suit an arterial graft. Conversely, the vascular columns of wood might be useful in bone engineering due to their relative strength and geometries,” the authors wrote.
Using plants as the basis for tissue engineering also has economic and environmental benefits. “By exploiting the benign chemistry of plant tissue scaffolds,” they wrote, “we could address the many limitations and high costs of synthetic, complex composite materials. Plants can be easily grown using good agricultural practices and under controlled environments. By combining environmentally friendly plant tissue with perfusion-based decellularization, we have shown that there can be a sustainable solution for pre-vascularized tissue engineering scaffolds.”
At WPI, the research continues along several lines, Gaudette said, with studies to optimize the decellularization process and further characterize how various human cell types grow while they are attached to, and are potentially nourished by, plant-based scaffolds. Also, engineering a secondary vascular network for the outflow of blood and fluids from human tissue will be explored. On April 7, 2017, Gershlak will present the technology and early results as an invited speaker at the National Academy of Inventors inaugural Student Innovation Showcase in Boston, where he will detail the work for more than 200 accomplished inventors and technology commercialization leaders.

ITALIANO
I ricercatori si rivolgono al sistema vascolare delle piante per risolvere un problema di bioingegneria che blocca la rigenerazione dei tessuti e degli organi umani.

I ricercatori affrontano una sfida fondamentale in quanto cercano di ridimensionare la rigenerazione dei tessuti umani da piccoli campioni di laboratorio a tessuti, ossa o anche interi organi di dimensioni elevate per permettere di trattare le persone con malattie o lesioni traumatiche: come stabilire un sistema vascolare che fornisca il sangue nel tessuto in via di sviluppo.
Le attuali tecniche di bioingegneria, tra cui la stampa a 3-D, non possono fabbricare la rete di ramificazione dei vasi sanguigni fino alla scala capillare necessaria per fornire l'ossigeno, le sostanze nutritive e le molecole essenziali necessarie per una corretta crescita del tessuto. Per risolvere questo problema, un gruppo multidisciplinare di ricerca presso l'Istituto Politecnico di Worcester (WPI), l'Università di Wisconsin-Madison e l'Università Statale di Arkansas-Jonesboro hanno utilizzato con successo le piante. Essi riportano i loro risultati iniziali nel documento "Crossing kingdoms: Utilizzo di piante decellulari come impalcature di ingegneria tissutale perfusibili" pubblicato online in anticipo del numero del maggio 2017 della rivista Biomaterials.
Le piante e gli animali sfruttano approcci fondamentalmente diversi per il trasporto di fluidi, prodotti chimici e macromolecole, tuttavia esistono sorprendenti somiglianze nelle loro strutture di reti vascolari ", hanno scritto gli autori. "Lo sviluppo di piante decellulari per l'impalcatura apre il potenziale di un nuovo ramo della scienza che indaga la simulazione tra pianta e animale".
In una serie di esperimenti, il gruppo coltivava le cellule umane di cuore sulle foglie di spinaci, che furono spogliate delle cellule vegetali. Hanno fatto scorrere fluidi simili a dimensioni per le cellule del sangue umano attraverso il sistema vascolare degli spinaci, e hanno inserito nelle vene di spinaci  cellule umane che alimentano i vasi sanguigni. Questi studi di prova concludono che risulta utilizzare molte foglie di spinaci per coltivare strati di muscoli cardiaci per trattare pazienti con attacco cardiaco.

Altre piante decellulari potrebbero fornire il quadro per una vasta gamma di tecnologie di ingegneria tissutale. "Abbiamo molto più lavoro da fare, ma finora questo è molto promettente", ha dichiarato Glenn Gaudette, PhD, professore di ingegneria biomedica a WPI e corrispondente autore del giornale. "L'adattamento di piante abbondanti che gli agricoltori hanno coltivato per migliaia di anni per l'uso nell'ingegneria dei tessuti potrebbe risolvere una serie di problemi che limitano il campo".
Oltre a Gaudette, il gruppo di ricerca WPI include Tanja Dominko, PhD, DVM, professore associato di biologia e biotecnologia, che studia meccanismi molecolari dello sviluppo delle cellule umane; Pamela Weathers, PhD, professore di biologia e biotecnologia, biologo vegetale; E Marsha Rolle, PhD, professore associato di ingegneria biomedica, che si occupa di ingegneria del tessuto vascolare. Il gruppo di collaborazione include anche ricercatori di cellule staminali e biologia vegetali a Wisconsin e Arkansas. "Questo progetto parla dell'importanza della ricerca interdisciplinare", ha detto Gaudette. "Quando hai persone con competenze diverse che affrontano un problema da diverse prospettive, nuove soluzioni possono emergere".
Il primo autore del lavoro è Joshua Gershlak, uno studente di laurea presso il laboratorio di Gaudette, che ha contribuito a progettare e condurre gli esperimenti e che ha sviluppato un processo efficace per rimuovere le cellule vegetali dalle foglie di spinaci fluendo o "perfusando" una soluzione detergente attraverso le vene delle foglie . «Avevo già fatto lavori di decellularizzazione sui cuori umani prima», disse Gershlak, «e quando ho guardato la foglia di spinaci mi ha ricordato un'aorta. Così ho pensato di utilizzare il gambo. Non eravamo sicuri che avrebbe funzionato, ma è risultato  abbastanza facile e replicabile. Funziona in molte altre piante ".
Quando le cellule vegetali vengono lavate via, ciò che resta è una struttura fatta prevalentemente di cellulosa, una sostanza naturale che non è dannosa per le persone. "La cellulosa è biocompatibile ed è stata utilizzata in un'ampia varietà di applicazioni di medicina rigenerativa, come l'ingegneria dei tessuti cartilaginei, l'ingegneria dei tessuti ossee e la guarigione delle ferite", hanno scritto gli autori.
Oltre alle foglie di spinaci, il gruppo ha rimosso con successo le cellule dal prezzemolo, dalla Artemesia annua e dalle radici pelose di arachidi. Si aspetta che la tecnica funzioni con molte specie vegetali che potrebbero essere adattate per studi specializzati di rigenerazione dei tessuti. "La foglia di spinaci potrebbe essere più adatta per un tessuto altamente vascolarizzato, come il tessuto cardiaco, mentre la struttura cava cilindrica dello stelo di Impatiens capensis (jewelweed) potrebbe meglio adattarsi ad un innesto arterioso. Viceversa, le colonne vascolari del legno potrebbero essere utili nell'ingegneria dell'osso a causa della loro relativa forza e geometria ", hanno scritto gli autori.

L'utilizzo di piante come base per l'ingegneria dei tessuti ha anche vantaggi economici e ambientali. "Sfruttando la chimica benigna delle strutture del tessuto vegetale", hanno scritto, "potremmo affrontare le molte limitazioni e gli elevati costi dei materiali compositi sintetici e complessi. Le piante possono essere facilmente coltivate usando buone pratiche agricole e in ambienti controllati. Combinando un tessuto vegetale rispettoso dell'ambiente con la decellularizzazione a base di perfusione, abbiamo dimostrato che ci può essere una soluzione sostenibile per i basamenti di ingegneria tissutale pre-vascolarizzata ".
A WPI, la ricerca continua lungo varie linee, ha affermato Gaudette, con studi per ottimizzare il processo di decellularizzazione e caratterizzare ulteriormente il modo in cui vari tipi di cellule umane crescono mentre sono attaccati e potenzialmente nutriti da impalcature a base di piante. Sarà inoltre esplorata la progettazione di una rete vascolare secondaria per il deflusso di sangue e fluidi provenienti dal tessuto umano. Il 7 aprile 2017, Gershlak presenterà la tecnologia e i risultati precoci come relatore invitato all'Accademia Nazionale di Inventori inaugurale Student Innovation Showcase di Boston, in cui metterà in dettaglio il lavoro per più di 200 inventori e leader di commercializzazione tecnologica.


Da:

https://www.wpi.edu/news/wpi-team-grows-heart-tissue-spinach-leaves?utm_source=comments&utm_medium=youtube&utm_campaign=hearts%20on%20spinach

Commenti

Post popolari in questo blog

Paracetamolo, ibuprofene o novalgina: quali le differenze? / acetaminophen, ibuprofen, metamizole : what are the differences?

Diminuire l'ossigeno per aumentare la longevità? / Decrease Oxygen to Boost Longevity?

Sci-Fi Eye: il nostro futuro urbano / Sci-Fi Eye: Our Urban Future