Foglie di spinaci come “impalcatura” per riparare il tessuto cardiaco

Se provate a scrivere “spinaci” nella barra di un qualsiasi motore di ricerca otterrete link che rimandano a decine di sfiziose ricette e siti che sfatano la leggenda dell’alto quantitativo di ferro in questi ortaggi.

Un gruppo di ricercatori americani ha invece pensato di utilizzarli per tutt’altro scopo: hanno usato le foglie di spinacio con l’obiettivo di trovare nuove soluzioni che possano essere utili nel campo della medicina rigenerativa.

La curiosa quanto straordinaria intuizione è stata pubblicata su “Biomaterials”, prestigiosa rivista del gruppo Elsevier, dal gruppo di Ingegneria Biomedica del Worcester Polytechnic Institute (WPI), Massachusetts, USA. Primo autore della ricerca è Joshua Gershlak, studente di dottorato nel laboratorio di Rigenerazione del Miocardio.

Il Dott. Joshua Gershlak, primo autore dell'articolo (a sinistra) e il Prof. Glenn Gaudette, coordinatore dello studio. Photo credit: Worcester Polytechnic Institute.
Il Dott. Joshua Gershlak, primo autore dell'articolo (a sinistra) e il Prof. Glenn Gaudette, coordinatore dello studio. Photo credit: Worcester Polytechnic Institute.

Uno dei maggiori problemi in campo medico, e specie nell’ambito dell’ingegneria tissutale, è la mancanza dello sviluppo del sistema vascolare, la rete di vasi sanguigni necessaria per trasportare ossigeno e nutrienti all’organismospiega il Dott. Gershlak in un video prodotto dall’Istituto. “Nel caso di un attacco cardiaco, la porzione di tessuto danneggiato da sostituire è molto grande; le tecniche di medicina rigenerativa non sono attualmente in grado di creare un sistema vascolare adeguato alle necessità biologiche umane, con il grande limite che l’ossigeno non viene trasportato alle cellule e ciò porta inevitabilmente alla morte del tessuto”.

Fino ad oggi gli scienziati hanno tentato di utilizzare la stampa 3D per ricreare questo intricato network, ma senza successo. L’idea dei ricercatori del WPI invece è stata brillante: prendere in prestito sistemi vascolari già pronti e adattarli ad uso umano per ricreare un sistema vascolare compatibile, che possa essere impiantato nei tessuti cardiaci da sostituire.

Le piante e gli animali utilizzano ovviamente approcci molto diversi per trasportare fluidi, sostanze chimiche e macromolecole, tuttavia esistono somiglianze davvero sorprendenti nelle strutture della loro rete vascolare” riflette il Prof. Glenn Gaudette, coordinatore dello studio.

Un confronto tra la vascolarizzazione nei mammiferi (a sinistra, il cuore di un ratto) e quella vegetale. Photo credit: Gershlak J.R. et al., Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Volume 125, 2017, 13–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011
Un confronto tra la vascolarizzazione nei mammiferi (a sinistra, il cuore di un ratto) e quella vegetale. Photo credit: Gershlak J.R. et al., Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Volume 125, 2017, 13–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011

I ricercatori hanno dunque deciso di sfruttare la struttura vascolare delle piante, e in particolar modo delle foglie di spinacio, come “impalcatura” per far crescere le cellule cardiache umane.

Il primo passo è stato quello di eliminare le cellule vegetali dalle foglie grazie a un particolare detergente. Questa tecnica, detta “decellularizzazione”, consente già dopo 7 giorni di eliminare tutte le cellule lasciando intatta la struttura vascolare; alla fine del trattamento, della foglia originaria rimane principalmente la cellulosa, un materiale perfettamente biocompatibile ed oggi già ampiamente usato in medicina rigenerativa in diverse aree mediche.

Il processo di decellularizzazione sulle foglie di spinacio. Photo credit: Gershlak J.R. et al., Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Volume 125, 2017, 13–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011
Il processo di decellularizzazione sulle foglie di spinacio. Photo credit: Gershlak J.R. et al., Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Volume 125, 2017, 13–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011

Dopodiché, le foglie sono state “ricellularizzate” con cellule cardiache: i ricercatori hanno infuso attraverso la vascolatura vegetale delle cellule staminali cardiache di origine umana, che hanno aderito a questi nuovi “vasi sanguigni”. Successivamente, un fluido e delle microsfere che simulano il sangue e i suoi componenti sono stati fatti scorrere nei vasi vegetali.

Schema che descrive il trattamento di decellularizzazione e riperfusione delle foglie di spinacio. Photo credit: Gershlak J.R. et al., Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Volume 125, 2017, 13–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011
Schema che descrive il trattamento di decellularizzazione e riperfusione delle foglie di spinacio. Photo credit: Gershlak J.R. et al., Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Volume 125, 2017, 13–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011

Avevo già effettuato in precedenza la decellularizzazione su cellule cardiache umane” afferma il Dott. Gershlak, “e quando ho osservato le foglie di spinacio, il loro gambo mi ha ricordato un po’ l’aorta umana. Perciò ho pensato, proviamo a perfondere le cellule cardiache direttamente attraverso il gambo”.

Nel giro di tre settimane, queste cellule si contraggono ritmicamente e vengono attraversate da onde di calcio, esattamente come fanno le cellule cardiache nel loro tessuto originario. “Per adesso stiamo lavorando ovviamente su quantità molto piccole, ma i risultati finora sono veramente molto promettenti”.

Le due GIF sottostanti (tratte dal video che vedete in fondo all’articolo) mostrano le caratteristiche contrattili di queste cellule.

Ad oggi, precisa una nota dell’istituto, questi dati rappresentano solo una “proof of concept”, una verifica teorica; in futuro sarà probabilmente possibile coltivare strati sovrapposti di foglie di spinacio trattate come descritto, e usare la loro cellulosa come “impalcatura” per ricreare porzioni di muscoli cardiaci innervate da un sistema vascolare funzionante, che potrebbero poi essere impiantate per “riparare” i tessuti danneggiati del cuore.

La stessa tecnica è risultata applicabile anche su altri tipi di piante, quali il prezzemolo e l’artemisia, aprendo le possibilità che le diverse caratteristiche peculiari possano rendere ciascuna pianta “base” ideale per un differente tessuto o distretto corporeo. Speculano infatti gli autori: “La foglia di spinacio potrebbe essere più adatta per un tessuto altamente vascolarizzato, come il tessuto cardiaco, mentre la struttura cilindrica cava dello stelo della balsamina potrebbe soddisfare meglio un innesto arterioso. Al contrario, le colonne vascolari del legno potrebbero essere utili in ingegneria ossea a causa delle simili forze relative e geometrie”.

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