Los investigadores se enfrentan a un desafío fundamental a medida que tratan de ampliar la regeneración de tejidos humanos de pequeñas muestras de laboratorio a los tejidos de tamaño completo, huesos, incluso los órganos enteros para implantar en personas para tratar enfermedades o lesiones traumáticas: cómo establecer un sistema vascular que ofrece sangre profundamente en el tejido en desarrollo. Las técnicas actuales de bioingeniería, incluyendo la impresión tridimensional, no pueden fabricar la red ramificada de los vasos sanguíneos hasta la escala capilar que se requiere para suministrar el oxígeno, los nutrientes y las moléculas esenciales necesarias para el crecimiento apropiado del tejido. Para resolver este problema, un equipo de investigación multidisciplinario en el Instituto Politécnico de Worcester (WPI), la Universidad de Wisconsin-Madison y Arkansas State University-Jonesboro se han fijado con éxito en las plantas. Ellos reportan sus hallazgos iniciales en el artículo "Cruce de reinos: Usando plantas desceluralizadas como andamios de ingeniería de tejidos perfusables", publicado en línea antes del número de mayo de 2017 de la revista Biomaterials. "Las plantas y los animales explotan enfoques fundamentalmente diferentes para transportar fluidos, productos químicos y macromoléculas, pero hay similitudes sorprendentes en sus estructuras de redes vasculares", escribieron los autores. "El desarrollo de plantas decelularizadas para andamios abre el potencial para una nueva rama de la ciencia que investiga el mimetismo entre la planta y el animal". En una serie de experimentos, el equipo cultivó células bombeadoras del corazón humano en hojas de espinaca que fueron despojadas de las células vegetales. Ellos intrujeron fluidos y microesferas de tamaño similar a las células sanguíneas humanas a través de la vasculatura de la espinaca, y sembraron las venas de espinaca con células humanas que rodean los vasos sanguíneos. Estos estudios de prueba de concepto abren la puerta al uso de hojas de espinacas múltiples para desarrollar capas de músculo cardíaco saludable para tratar a pacientes con ataque al corazón. https://www.youtube.com/watch?v=6iUrxGo9gZs Otras plantas decelularizadas podrían proporcionar el marco para una amplia gama de tecnologías de ingeniería de tejidos. "Tenemos mucho más trabajo por hacer, pero hasta ahora esto es muy prometedor", dijo Glenn Gaudette, profesor de ingeniería biomédica en WPI y autor correspondiente del artículo. "Adaptar las plantas abundantes que los agricultores han estado cultivando durante miles de años para su uso en la ingeniería de tejidos podría resolver una serie de problemas que limitan el campo". Además de Gaudette, el equipo de investigación WPI incluye Tanja Dominko, profesora asociada de biología y biotecnología, que estudia los mecanismos moleculares de desarrollo de células humanas; Pamela Weathers, profesora de biología y biotecnología, bióloga de plantas; y Marsha Rolle, profesora asociada de ingeniería biomédica, que se centra en la ingeniería de tejidos vasculares. El equipo colaborativo también incluye investigadores de biología de células madre y plantas en Wisconsin y Arkansas. "Este proyecto habla de la importancia de la investigación interdisciplinaria", dijo Gaudette. "Cuando se tiene a personas con diferentes conocimientos que vienen a un problema desde diferentes perspectivas, pueden surgir soluciones novedosas". El primer autor del artículo es Joshua Gerslak, un estudiante graduado en el laboratorio de Gaudette, quien ayudó a diseñar y conducir los experimentos y desarrolló un proceso efectivo para eliminar las células vegetales de las hojas de espinacas fluyendo o "perfusando" una solución detergente a través de las venas de las hojas . "Había hecho un trabajo de decelularización en los corazones humanos antes y cuando miré la hoja de espinaca, su vástago me recordó a una aorta, así que pensé, vamos a perfundir a través del tallo", dijo Gershlak. Y agregó: "No estábamos seguros de que funcionara, pero resultó ser bastante fácil y replicable, y está funcionando en muchas otras plantas". Cuando las células de la planta se lavan lo que queda es un armazón hecho principalmente de celulosa, una sustancia natural que no es perjudicial para las personas. "La celulosa es biocompatible (y) se ha utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de medicina regenerativa, como la ingeniería de tejido de cartílago, ingeniería de tejido óseo y la cicatrización de heridas", escribieron los autores. Además de las hojas de espinaca, el equipo eliminó exitosamente las células del perejil, Artemesia annua (ajenjo dulce) y raíces peludas del maní. Esperan que la técnica funcione con muchas especies de plantas que podrían ser adaptadas para estudios especializados en regeneración de tejidos. "La hoja de la espinaca podría ser más adecuada para un tejido altamente vascularizado, como el tejido cardíaco, mientras que la estructura cilíndrica hueca del tallo de Impatiens capensis podría ser mejor para un injerto arterial." Por el contrario, "las columnas vasculares de la madera podrían ser útiles en la ingeniería ósea debido a su fuerza relativa y geometrías ", escribieron los autores.

El uso de plantas como base para la ingeniería de tejidos también tiene beneficios económicos y ambientales. "Al explotar la química benigna de los andamios de tejidos vegetales, podríamos abordar las muchas limitaciones y los altos costos de los materiales compuestos sintéticos y complejos. Las plantas pueden ser cultivadas fácilmente utilizando buenas prácticas agrícolas y en ambientes controlados. Al combinar el tejido vegetal respetuoso del medio ambiente con la perfusión hemos demostrado que puede haber una solución sostenible para los andamios de ingeniería de tejidos pre-vascularizados". En WPI, la investigación continúa a lo largo de varias líneas, dijo Gaudette, con estudios para optimizar el proceso de decelularización y caracterizar aún más cómo varios tipos de células humanas crecen mientras están unidas a, y potencialmente alimentados por, andamios a base de plantas. También se explorará la ingeniería de una red vascular secundaria para la salida de sangre y fluidos de tejido humano. El próximo 7 de abril de 2017, Gershlak presentará la tecnología y los primeros resultados como orador invitado en la inauguración de la Innovación estudiantil de la Academia Nacional de Inventores en Boston, donde detallará el trabajo de más de 200 inventores y líderes de comercialización de tecnología.