Matka natura - najlepszy inżynier

Od czasów prehistorycznych ludzkość dokonywała odkryć poprzez obserwację przyrody. Bez dostępu do osiągnięć dzisiejszej techniki i nauki ludzie zdani byli na czerpanie wiedzy i pomocy z jedynego dostępnego im źródła - otaczającej ich natury, od której oddaliliśmy się dopiero na przestrzeni ostatniego stulecia. Jeszcze nie tak dawno ludzie żyli w harmonii z jej rytmem. Dzień i noc wyznaczały pory pracy i odpoczynku, a pory roku nakreślały harmonogram działań w polu. Siłą rzeczy człowiek czerpał z przyrody pełnymi garściami, obserwował rośliny i zwierzęta, wyciągał wnioski i przekładał je na swoje życie codzienne. Dziś, gdy otaczająca nas rzeczywistość jest tak bardzo pochłonięta przez technikę, wydaje się nam, że opanowaliśmy niemal do perfekcji rządzenie światem. Matka natura nadal pozostaje jednak dla ludzi inspiracją i to u niej szukają nieraz pomocy naukowcy, którzy w swoich badaniach dobrnęli do ściany.

Na początku dwudziestego wieku szkocki lekarz weterynarii John Dunlop wynalazł dętkę pneumatyczną. Jak tego dokonał? W swojej praktyce często spotykał się z problemem zgazowania jelit u owiec, a wypełnione gazem i produktami fermentacji jelita są sprężyste jak dobrze napompowana opona. W tym przypadku przyroda sama podsunęła pomysł, a chłonny i otwarty umysł odkrywcy znalazł dla niego zastosowanie w praktyce. Czy powstałyby samochody i rowery górskie bez opatentowania tego wynalazku?

Liść szpinaku unaczyniony ludzką tkanką

 

A helikoptery? Zrewolucjonizowały przemysł wojenny w czasach, gdy konflikty zbrojne co chwila przetaczały się przez ziemię, a zwykłe samoloty potrzebujące pasa startowego nie sprawdzały się w trudnych warunkach. Pierwsze prototypy maszyn działających na zasadzie ruchu rotacyjnego tworzył już Leonardo Da Vinci, zafascynowany opadaniem nasion klonu i lotem ważki. To tzw. noski, przyklejane przez dzieci dla zabawy do twarzy, stały się inspiracją dla mistrza Leonarda i jego następców.

Liście dające życie

Warto tu wspomnieć o rewolucyjnych badaniach, w których do hodowli ludzkich tkanek naukowcy wykorzystują liście!

Grupa badaczy z Politechniki w Worcester, Uniwersytetu Wisconsin, Uniwersytetu Stanowego w Arkansas i Uniwersytetu Nova Gorica ze Słowenii opracowała technikę pozyskiwania szkieletu celulozowego z liści szpinaku. Szkielet ten wykorzystano następnie do hodowli laboratoryjnej ludzkich tkanek, w tym przypadku - komórek mięśnia sercowego.

Podstawowym problemem laboratoriów zajmujących się hodowlą tkankową jest kłopot z wytworzeniem unaczynienia tych tkanek. Wielkość otrzymywanych fragmentów jest zależna od sprawnego układu transportującego tlen i substancje odżywcze do każdej wyhodowanej komórki. Jak mówią twórcy tej metody - prof. inżynierii biomedycznej Glenn Gaudette i jego współpracownik John Gershlak w materiałach dostępnych na stronie Politechniki w Worcester:

- Najważniejszym czynnikiem ograniczającym przeszczepianie tkanek i ich późniejsze wykorzystanie w klinikach jest brak sieci naczyń krwionośnych. A dostępne techniki nie są w stanie wytworzyć unaczynienia naczyniami włosowatymi, których ciało potrzebuje.

Obecnie stosowane metody nie pozwalają więc nam na stworzenie w warunkach laboratoryjnych sieci naczyń włosowatych, które w sposób efektywny rozprowadzałyby substancje odżywcze w hodowanej tkance. Dlatego naukowcy zaczęli poszukiwać gotowych rozwiązań w przyrodzie i odnaleźli je w pospolitym szpinaku. Ważne było też to, by wykorzystany materiał był łatwo i ogólnodostępny - aby rozwiązując jeden problem, nie wygenerować kolejnego.

Z lekcji biologii w szkole podstawowej pamiętam budowę liścia. Po zapoznaniu się z jego zewnętrzną konstrukcją poznawaliśmy warstwę epidermy - czyli okrywy - oraz mezofilu, czyli tego wszystkiego, co wypełnia liście w środku. Na ich powierzchni znajdują się też wiązki przewodzące, których głównym zadaniem jest dostarczanie wody do tkanek i odprowadzanie produktów fotosyntezy.

U roślin okrytonasiennych zwykle jedna wiązka jest grubsza i odgrywa dowodzącą rolę w odżywianiu. Stopniowo rozgałęzia się na coraz mniejsze i cieńsze. Brzmi znajomo? Nie bez powodu system wiązek w liściu nazywany jest też użyłkowaniem liścia. I chociaż biologia roślin różni się zdecydowanie od biologii człowieka, to podstawowe rozwiązania inżynieryjne są w tym przypadku takie same - musi istnieć sieć naczyń, które rozprowadzą niezbędne do życia substancje. Właśnie to rozwiązanie postanowili zaadaptować naukowcy zajmujący się hodowlami tkankowymi - wykorzystali gotowe rozwiązanie obecne w przyrodzie.

Poszczególne fazy wypłukiwania komórek z liścia szpinaku - efektem jest czysty szkielet z celulozy

 

Aby uzyskać czysty szkielet z celulozy, w którym zachowana jest struktura żyłek, wypłukano wszystkie komórki z liści szpinaku przy użyciu specjalnych detergentów. Otrzymaną strukturę zasiedlono komórkami ludzkiego serca, a specjalna maszyneria wymusiła obieg krwi w żyłkach. Po wielu próbach uzyskano unaczynioną tkankę, funkcjonującą jak normalny mięsień sercowy, którego włókna się kurczą! Bardzo ważne jest też to, że celulozę od dawna wykorzystywano w medycynie jako substancję obojętną dla ludzkiego organizmu - obrośnięta tkanką może być do niego wszczepiana, nie powodując powikłań.

Są to obiecujące i dające nadzieję badania, ponieważ na całym świecie codziennie umierają 22 osoby oczekujące na przeszczep tkanek lub narządów. Wdrożenie tego typu rozwiązania na większą skalę skróciłoby oczekiwanie na tkanki od dawców, których nadal jest zbyt mało. Dodatkowo, w niektórych przypadkach można by uniknąć komplikacji, jakie niesie za sobą konieczność przyjmowania leków immunosupresyjnych (leków przeciw odrzuceniu) po przeszczepie, jeśli części pacjentów przeszczepiano by tkanki wyhodowane z ich własnych komórek.

Uzyskanie w pełni funkcjonujących i prawidłowo odżywionych tkanek w warunkach laboratoryjnych to wielkie osiągnięcie i nadzieja dla setek tysięcy pacjentów oczekujących w kolejkach po zdrowie i życie. Nauce z pomocą przyszła w tym przypadku matka natura i to w postaci popularnej rośliny, traktowanej czasami jak zbędny chwast.

Wielka księga inspiracji

Jak wiele jeszcze tego typu odkryć przed nami? Przyroda kryje w sobie tak wielkie cuda, że można pokusić się o stwierdzenie, iż dysponujemy niewyczerpalnym źródłem pomysłów, inspiracji i gotowych rozwiązań. Czy będziemy mieli w sobie na tyle odwagi, by z nich skorzystać? Czy jeśli zawiedzie nas technika, zwrócimy się do wspierającego nas od początków świata natury?

Jeśli badania się powiodą i nauczymy się przekształcać rośliny w funkcjonujące tkanki, a w przyszłości nawet całe organy, będzie można uratować setki ludzkich istnień.