En surface, les plantes et les animaux ne peuvent pas être plus différents. Cependant, comme les chercheurs de l’université polytechnique de Worcester (WPU) l’ont découvert, ils partagent des similitudes surprenantes dans leurs structures de réseaux vasculaires. Alors, et s’il y avait un moyen de profiter de ces similitudes pour faire croître du tissu cardiaque humain à l’aide de feuilles? Les chercheurs du WPU ont fait exactement cela.
De toutes les promesses que l’impression 3D a montré dans le domaine de l’ingénierie tissulaire, les organes fabriqués en laboratoire restent une percée théorique en raison du fait qu’ils ne peuvent pas reproduire le système de transport cellulaire nécessaire pour soutenir la croissance des tissus. C’est un problème car la demande pour des organes et des tissus de transplantation dépasse de loin l’offre.
Aussi radical que cela puisse paraître, les plantes pourraient offrir une solution malgré leurs approches fondamentalement différentes pour le transport de l’oxygène, des nutriments et des molécules essentielles nécessaires à la croissance des tissus. Pour commencer, leur design de réseau conique et ramification ressemble à celle trouvée dans le système cardiovasculaire humain et elles ont également des structures tissulaires qui permettent des fonctions variées.
En outre, la cellulose, l’un des composants principaux du tissu de la paroi cellulaire végétale, est non seulement biocompatible, mais elle a également été utilisée dans une grande variété d’applications de médecine régénératrice, comme l’ingénierie des tissus cartilagineux, l’ingénierie des tissus osseux et la guérison des plaies disent les auteurs de l’étude. Compte tenu de ces facteurs, pourquoi ne pas étudier si les plantes pourraient être utilisées pour établir un système vasculaire qui délivre du sang aux tissus cultivés en laboratoire?
«Notre espoir est que nous serons en mesure d’utiliser le système vasculaire dans la feuille d’épinard pour fournir les cellules qui poussent sur la feuille avec des nutriments et de l’oxygène», explique l’auteur de l’étude Glenn Gaudette, professeur de génie biomédical à WPU, ajoutant que l’objectif final serait d’utiliser cela dans les applications cardiaques pour aider les victimes de crise cardiaque. « Ce que nous espérons faire est de développer le muscle cardiaque sur ces feuilles, qui peut ensuite être perfusé avec une source de sang par les veines qui sont à l’intérieur de la feuille afin que nous puissions, en théorie, coudre ces veines dans les artères natives dans le cœur et donc produire un muscle contractile qui peut remplacer le tissu mort. «
Cependant, avant que cela puisse être tenté, l’équipe WPU devait savoir si les cellules cardiaques pouvaient adhérer et se contracter sur les feuilles de la plante.
En raison de son abondance, de son réseau vasculaire et de sa densité, ainsi que du diamètre de sa tige, les chercheurs ont décidé d’utiliser les feuilles d’épinards comme espèces modèles pour leur étude. Afin de développer les cellules vivantes du cœur humain sur les feuilles, ils les ont d’abord retirées de leurs cellules végétales dans un processus connu sous le nom de décellulerisation. Cela a été fait par écoulement, ou « perfusion », d’une solution détergente à travers les veines des feuilles.
« J’avais fait des travaux de décellularisation sur les cœurs humains avant et quand j’ai regardé la feuille d’épinards, sa tige m’a rappelé une aorte », explique le premier auteur Joshua Gershlak. « Alors je pensais, nous allons perfuser à travers la tige. Nous n’étions pas sûr que cela fonctionnerait, mais il s’est avéré être assez facile et reproductible. »
Pour s’assurer que le réseau vasculaire de la feuille d’épinard décellularisée pourrait soutenir l’écoulement des cellules sanguines humaines, les chercheurs ont fait coulé des fluides et des microbilles de taille similaire à ces cellules à travers le système vasculaire d’épinard avant de semer ses veines avec des cellules humaines qui bordent les vaisseaux sanguins. Le résultat: les cellules humaines ont pu s’attacher à la feuille et rester contractile pendant 21 jours. Pendant ce temps, elles ont regardé et agi comme des cellules cardiaques, souligne Joshua dit Gershlak.
Au cours de leurs expériences, les chercheurs ont également été en mesure de décellulariser avec succès d’autres plantes, ce qui pourrait ouvrir la voie à d’autres études spécialisées de régénération tissulaire.
« La feuille d’épinard pourrait être mieux adaptée pour un tissu fortement vascularisé, comme le tissu cardiaque, alors que la structure cylindrique creux de la tige d’Impatiens capensis (les plantes Impatientes) pourrait mieux convenir à une greffe artérielle », note les auteurs. « Inversement, les colonnes vasculaires de bois pourraient être utiles dans l’ingénierie osseuse en raison de leur force relative et de géométries. »
Cela dit, bien que ces expériences de preuve de concept aient été couronnées de succès, les chercheurs reconnaissent que les résultats sont «encore loin» d’être cliniquement pertinents. Comme ils le notent dans l’étude, on ne sait pas encore comment ils intégreraient le système vasculaire dans le système vasculaire humain natif. Et tandis que la cellulose décellularisée est biocompatible et biodégradable, la réponse du corps à tout tissu végétal décellularisé reste inconnue. De plus, bien que les cellules puissent adhérer au système vasculaire interne des feuilles après 24 heures, une endothélialisation totale (c’est-à-dire la formation d’une doublure épaisse d’une cellule trouvée à l’intérieur des vaisseaux sanguins et de la chambre cardiaque) devra être démontrée.
Néanmoins, cette étude de preuve de concept est prometteuse sur plusieurs fronts, notamment sur le plan économique et environnemental.
«En exploitant la chimie bénigne des échafaudages de tissus végétaux, nous pourrions aborder les nombreuses limites et les coûts élevés des matériaux composites synthétiques et complexes», disent les chercheurs. «Les plantes peuvent être facilement cultivées en utilisant de bonnes pratiques agricoles et dans des environnements contrôlés. En combinant des tissus végétaux avec une décellularisation à base de perfusion, nous avons montré qu’il peut y avoir une solution durable pour les échafaudages pré-vascularisés de génie tissulaire.
https://www.wpi.edu/news/wpi-team-grows-heart-tissue-spinach-leaves
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217300856
