Amire Popeye nem is gondolt

Bár számos egészséges életmódot hirdető oldalon megtalálhatjátok, hogy a paraj karbantartja a szívet magas lutein, folsav, kálium és rosttartalma miatt, én mégsem dietetikai tanácsokkal látnálak el titeket. Ezúttal amerikai tudósok szenzációs felfedezéséről lesz szó, mely szerint a spenótlevél erezettsége hasonlít legjobban az emberiére.

A Tétékás Nyúz ezt megelőző számában a természetet mérnöki precizitással leutánzó folyamatokról, azaz a biomimetikáról olvashattatok. S most egy kicsit nagyobb gyakorlati hasznát mutatnám be nektek egy egészen friss és meglepő tanulmányon. Talán a most következő kutatás eredményének tükrében is látható, hogy nem csak a levegőbe beszélnek, amikor azt mondják, hogy ez a tudományterület alapvető fontosságú.

A transzplantálható szövetek és szervek elérhetőségének szüksége már régóta meghaladja a rendelkezésre álló „készleteket”. Az Egyesült Államokban jelenleg több mint 100 000 beteg van a transzplantációs várólistán, s közülük minden nap huszonketten meghalnak a donorra való várakozás során. Az elmúlt évtizetedben a szövetmérnökség (tissue engineering) tudománya nagy előrelépést tett a szövet graftok fejlesztésén keresztül, ez által növelte a potenciális számát az életképes megoldásoknak a potenciális betegek, jelöltek számára. Habár e fejlesztések klinikumba való átültetése még mindig akadályokba ütközik, még mindig az egyik fő akadályozó tényezője a szövetmérnökség klinikai alkalmazásának az, hogy hiányzik a funkcionálisan működő erezettség (vascularisatio) kialakítása. Működő érrendszer nélkül 100-200 µm-ig tud csak diffundálni az oxigén, amit a szövetek nem tudnak leküzdeni, következésképpen a graftok mérete korlátozva van, annak érdekében, hogy életképességüket megtartsák. A jelenlegi biomérnökségi technikák nem képesek arra, hogy a betegek számára perfúziós ereket biztosítsanak. A technikák, mint az „állványok” (scaffold) pro-angiogenetikus faktorokkal való feltöltése, sejtek által vezetett érhálózat kialakítása és a mikroeljárásokkal történő tervezés, azt mutatják, hogy csak limitáltan lehet teljesen rekonstruálni a natív vaszkularizációt. Továbbá a funkcionális mikrovaszkularizáció (10 µm alatti átmérőjű erek) nem érhető el a jelenlegi biofabrikációs technikák, mint például 3D nyomatatás, segítségével.

Az érhálózat kialakításának mérnöki próbálkozásai ellenére a bio-inspirált, organikus megközelítés felé tolódott a hangsúly, amely később elvezetett a perfúziós technikáktól a decellularizációs megközelítésig. A decellularizáció folyamata során a sejtes elemeket összetett kémiai kezelés segítségével irányítottan eltávolítják a szövetből vagy szervből, háthahagyva az exracelluláris mátrix (sejtközötti tér, ECM) sejtmentes állományát, amely egyfajta rigid tartóelemként (váz) funkcionál. Az ECM összetétele persze nagyban függ attól, hogy pontosan milyen szervből vagy szövetből származik, mialatt megőriz egy intakt érhálózatot. A donor szövet sejtmentesítése által a decellularizált graft nem válik immunogénné, miközben megtartja a szövet teljes struktúráját. Ez egy rendkívül fontos szempont, ugyanis nem kell immunszupressziót alkalmazni, azaz az immunrendszer aktivitását nem kell gyógyszeresen leszabályozni. A decellularizált szövet vagy szerv megfelelő módszerekkel recellularizálható (újból sejtesíthető) a páciens saját sejtjeivel, így képezve az úgynevezett allograftot. A potenciális decellularizál graft natív biokémiai összetétele és hierarchikus szövetstruktúrája a donor szövetből vagy szervből származik. Ez eredendően következetlenséghez vezet, hiszen a szervek és szövetek különböző páciensektől szrámaznak vagy különböző decellularizációs metódusokat alkalmaznak rajtuk. Ez olyan zavaró különbségeket okoz, mint a szerv öregedése (kora), az egyéb kóros (pathologiás) folyamamatok jelenléte és a decellularizációs protokoll specificitásai. Különösen tömegspektrometriai (MS) méréseken keresztül, fehérjeösszetétel analízissel mutattak ki drasztikus különbségeket a különböző betegek decellularizált szövetei között. A sejtmentesített emlős szövetek hiánycikknek számítanak, ám ha rendelkezésre állnak, akkor is nagyon magas az áruk. Továbbá jelentős mennyiségű kutatást kell még elvégezni, mielőtt egy szervet vagy szövetet teljes mértékben decellularizáltnak lehet tekinteni és klinikailag lehetséges az alkalmazása. Következésképpen egy sokkal konzekvensebb, könnyedén hozzáférhető, decellularizálható szövetforrás jobb kilátásokat hozna a betegek számára, azáltal, hogy az életképes graftok számát növelnék lényegesen alacsonyabbak lennének a költségek is.

A legtöbb jelenlegi biomérnöki megközelítés az alapkutatásoktól való fizikai és szellemi izoláltsága miatt kissé be van korlátozva, mely kutatások során a különböző organizmusok más és más biológiai országból származnak. Ezt a kritikus kihívást le lehet küzdeni azáltal, hogy kihasználjuk az országok közötti közreműködést ugyanazon biomérnöki platformon belül. A növények és az állatok alapvetően más technikát alkalmaznak a folyadékok, kémiai anyagok és makromolekulák szállítására, mégis meglepő hasonlóságokat találunk az érhálózati struktúrájukban. Nem meglepő, hogy a nagyobb állat- és növénycsoportokra jellemző alapszabásokat, mint önkényes sémákat alkottak. A növények vaszkuláris rendszere a Murray-törvényt követi, amely élettani törvény leírja az emberi kardivaszkuláris rendszer elvékonyodó és elágazó hálózatát is. Az erek átmérője a periféria felé csökken, de az effektív nagyságuk nő, ugyanis a mennyiségük is sokszorosára nő. A növények szöveteinek struktúrája, csakúgy, mint az emberi szöveteké, változatos mechanikai tulajdonságain keresztül lehetővé teszi a változatos funkciók kialakulását.

A növényi sejtfal különböző poliszacharidokból áll, közülük a legjelentősebbek a cellulóz, pektin és a hemicellulóz. A celllulóz, ami a növényi sejtfal legnagyobb tömegét adja, a különféle klinikai alkalmazás számára már igen jól ismert biológiai anyag. Ez a poliszacharid biokompatibilis és kimutatták, hogy elősegíti a sebgyógyulást. Továbbá a cellulóz szövetmérnökségben a decellularizált almaszeleteket állványként használva az emlős sejtek letapadása és proliferációja (osztódása) volt megfigyelhető és azt találták, hogy biokompatibilis még akkor is, hogy ha in vivo szubkután (bőr alatt) alkalmazzák. A pektin és a hemicellulóz szintén erősen tanulmányozott biopolimerek, amelyeket a csontszövet és a sebgyógyulás tekintetében vizsgáltak. Mindezen tudás birtokában jött Gershlak, aki munkatársaival a növények országában a rendszertani csoportok között keresgélni kezdett és egy olyan növényre bukkant, amelynek az érhálózata perfúziós állványként jól használható az emberi szövetmérnökségben. Decellularizációs technikákat alkalmaztak számos különböző növényfajra és szövetre, sejtmentessé tették őket és pre-vaszkularizált szövet állványokat hoztak létre. A növények tömegessége és gyors növekedése nagyon lecsökkentette a költségeket, bőséges és fenntartható állvány anyagokat alkotva ezzel.

Spenót

Már a címben lelőttem a poént vagyis a spenótot találták legalkalmasabbnak. Mielőtt megnéznénk, hogy hogyan jutottak el erre a következtetésre, ismerkedjünk meg közelebbről gyerekkorunk rettegett növényével a parajjal.

Tudományos nevén Spinacia oleracea, ehető, virágos növény, amely a Disznóparéj-félék családba (Familia Amaranthaceae) tartozik. Eredetileg Közép- és Nyugat-Ázsiában őshonos. Ez az egynyári növény (ritkán kétéves) 30 cm magasra képes megnőni. A mérsékelt övben még a téli „hideget” is túlélheti. A levelei változó formájúak az egyszerű, oválistól a háromszögig bármilyenek lehetnek. A méretük is különbözhet, 2-30 cm hosszúak és 1-15 cm szélesek lehetnek. A nagyobb levelek a növény alján, míg a kisebbek a virággal együtt a csúcsán találhatók. A növény rengeteg mindenre jó, tele van vitaminokkal (A-, C- és K-vitamin), magnéziummal, mangánnal, vassal és folsavval. Jó riboflavin, B6- és E-vitamin, kalcium, káliumforrás, továbbá bővelkedik étkezési rostokban is. Ha rendszeresen fogyasztjuk ugyan olyan muszklit nem növesztünk, mint Popeye, de igazán jót teszünk vele a szervezetünknek. Nem véletlenül erőltették belénk szüleink gyerekkorunkban és próbálta megkedveltetni velünk ez a kedves mese sem. Persze azért itt is szem előtt kell tartani mértékletességet, hiszen a vasat a növényben lévő oxalát köti meg, amelynek túlzott fogyasztása akár vesekövet is okozhat.

A vizsgálati módszer

Ritkán kezdődik így egy kutatás, de Gershlak és elszánt munkacsoportja lement a helyi piacra és vett spenótot és petrezselymet, máshol gyűjtött fekete ürmöt, orgonát és még pár növényt és azok levelét. Eztuán egy Agrobacterium rhizogene nevű baktériummal géntechnológiai és fehérjemérnökségi eljárásokkal genetikailag módosították őket. Perfúziós decellularizációs technikát alkalmazva sejtmentesítették a kiválasztott leveleket, amelyet egy a levél nyelébe vezetett kanül segítségével tudták megvalóstani. Hexán és foszfát puffer (PBS) kezeléssel a levél kutikula rétegét eltávolították. Két napon keresztül végezték a sejtmentesítő perfúziót, majd szintén két napig steril, ioncserélt vízzel is mosták át a leveleket. Majd két hétig hűtőben tárolták őket. Ezután számos vizsgálatot végeztek rajtuk (szöveti analízist, elektronmikroszkópos képeket készítettek, megmérték a DNS és fehérje tartalmukat a natív levelekhez képest és mechanikai teszteknek is alávetették őket) azért, hogy megbizonyosodjanak afelől, hogy a kívánt eredményt kapták-e.

Ezt követően jöhetett a feketeleves, azaz a recellularizáció vagyis emberi endothel (az erek belsejét borító) őssejteket, mesenhimalis őssejteket (MSC) és embrionális őssejt (ESC) eredetű szívizomsejteket (cardiomyocyta) fecskendeztek a levelek ereibe. Persze melléjük mindenféle plusz növekedési faktort és tápanyagot is tettek, hogy a sejtek jól érezzék magukat és elkezdjenek osztódni. A folyamatot konfokális mikroszkóppal is nyomonkövették, így bámulatosabbnál bámulatosabb timelapse videókat tudtak készíteni.

Az áttörés

A decellularizáció sikeres volt, bár ezen nem lepődtek meg a kutatók, hiszen ezt már egy jól ismert metódus alapján végezték. Az igazi áttörést az jelentette, hogy a recellularizáció, vagyis a humán őssejtek beinjektálása és azok életben tartása is sikeres volt. A sikert tovább növelte, hogy az embrionális őssejt eredetű szívizomsejtek elkezdtek normális mértékben működni. A cikk online verziója mellett megtalálható az a bizonyos videó is, amelyen látszik, hogy a szívizomsejtek a levél sejtközötti állományában szabályosan összehúzódnak (contractio), pont úgy, ahogyan azt a szív teszi. Ez rendkívüli jelentőséggel bír, ugyanis számos szívizomsejttel és őssejttel végzett kísérlet részben volt eredményes annak tekintetében, hogy a kész testi (szomatikus) sejtek kontrakciója detektálható volt, de azok ritmikussága elégtelen volt. Mivel a kísérletben vizsgált sejteket fluoreszcensen megjelölték, így követhető volt azok mozgása és életképessége a levélben. Ez a sikeres kísérlet egy méltán nagyszerű alapot nyújthat az esetleges jövőbeni transzlációs kutatások fejlesztéséhez. A transzlációs medicinán túl a transzplantációk során és a toxikológiai-farmakokinetikai (gyógyszerek metabolizmusának és hatásmechanizmusainak vizsgálata) kutatásokban is döntő szerepe lehet ennek a kimagasló eredménynek.

Forrás:
en.wikipedia.org/wiki/Spinach
Gershlak, J. R. et al. (2017). Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds. Biomaterials, 125, 13-22.