يمنع اللاصق النشط ميكانيكيًا ويدعم الشفاء من ضمور العضلات

يمنع اللاصق النشط ميكانيكيًا ويدعم الشفاء من ضمور العضلات

ضمور العضلات بسبب قلة ممارسة التمارين الرياضية، كما يحدث بسرعة في الطرف المكسور الذي تم تثبيته في جبيرة، وبشكل أبطأ عند الأشخاص في سن متقدمة. ضمور العضلات، كما يشير الأطباء إلى هذه الظاهرة، هو أيضًا عرض منهك للمرضى الذين يعانون من أمراض عصبية مثل التصلب الجانبي الضموري (ALS) والتصلب المتعدد (MS)، وقد يكون استجابة جهازية لأمراض أخرى مختلفة، بما في ذلك السرطان والسكري.

Dieses Bild zeigt Beispiele von MAGENTA-Prototypen, die mit einer Feder aus einer „Formgedächtnislegierung“ und einem Elastomer hergestellt wurden, und wie ihre Größe mit der einer Ein-Cent-Münze verglichen wird. Bildnachweis: Wyss Institute an der Harvard University

يعتبر العلاج الميكانيكي، وهو شكل يدوي أو ميكانيكي للعلاج، ذو إمكانات واسعة لإصلاح الأنسجة. المثال الأكثر شهرة هو التدليك، حيث يتم استرخاء العضلات من خلال تحفيز الضغط. ومع ذلك، فمن غير الواضح ما إذا كان شد العضلات وتقلصها بوسائل خارجية يمكن أن يكون علاجًا أيضًا. حتى الآن، هناك تحديان رئيسيان يمنعان مثل هذه الدراسات: الأنظمة الميكانيكية المحدودة القادرة على توليد قوى التمدد والانكماش بشكل موحد على طول العضلات، والتوصيل غير الفعال لهذه المحفزات الميكانيكية إلى السطح والطبقات العميقة من الأنسجة العضلية.

الآن، قام المهندسون الحيويون في معهد Wyss للهندسة المستوحاة بيولوجيًا في جامعة هارفارد وكلية جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) بتطوير مادة لاصقة نشطة ميكانيكيًا تسمى MAGENTA تعمل كجهاز آلي ناعم وتحل هاتين المشكلتين - مشكلة الطي. في نموذج حيواني، نجح MAGENTA في منع وتعزيز التعافي من ضمور العضلات. يتم نشر نتائج الفريق في مجلة Nature Materials.

مع MAGENTA، قمنا بتطوير نظام متكامل جديد متعدد المكونات للتحفيز الميكانيكي للعضلات والذي يمكن تطبيقه مباشرة على الأنسجة العضلية لتحفيز مسارات الإشارات الجزيئية الرئيسية للنمو. في حين أن الدراسة توفر أول دليل على مفهوم أن حركات التمدد والانكماش التي يتم تقديمها خارجيًا يمكن أن تمنع الضمور في نموذج حيواني، فإننا نعتقد أن التصميم الأساسي للجهاز يمكن تكييفه على نطاق واسع مع إعدادات المرض المختلفة حيث يمثل الضمور مشكلة كبيرة.

ديفيد موني، دكتوراه، مؤلف كبير وعضو في هيئة التدريس الأساسية لمؤسسة Wyss

يقود موني منصة المواد المناعية بمعهد ويس، وهو أيضًا أستاذ عائلة روبرت ب. بينكاس للهندسة الحيوية في SEAS.

مادة لاصقة يمكنها تحريك العضلات

أحد المكونات الرئيسية لـ MAGENTA هو زنبرك مصمم هندسيًا مصنوع من Nitinol، وهو نوع من المعدن يُعرف باسم "سبائك ذاكرة الشكل" (SMA)، والذي يسمح بتنشيط MAGENTA بسرعة عند تسخينه إلى درجة حرارة معينة. قام الباحثون بتنشيط الزنبرك عن طريق توصيله كهربائيًا بوحدة معالج دقيق يمكنها برمجة تردد ومدة دورات التمدد والانكماش. مكونات MAGENTA الأخرى عبارة عن مصفوفة مرنة تشكل جسم الجهاز وتعزل SMA الساخن، و"لاصق قوي" يسمح للجهاز بالتثبيت بقوة على الأنسجة العضلية. بهذه الطريقة، يتم محاذاة الجهاز مع المحور الطبيعي لحركة العضلات وينقل القوة الميكانيكية الناتجة عن SMA إلى عمق العضلات. تعمل مجموعة موني على تطوير MAGENTA، والتي تعني "لاصق أنسجة الننتول المطاطي الهلامي النشط ميكانيكيًا"، باعتبارها واحدة من عدة مواد لاصقة هلامية قوية ذات وظائف مصممة خصيصًا لمختلف التطبيقات التجديدية في أنسجة متعددة.

بعد تطوير وتجميع جهاز MAGENTA، اختبر الفريق قدرته على تشويه العضلات، أولاً في العضلات المعزولة خارج الجسم الحي ثم عن طريق زرعها في إحدى عضلات الساق الرئيسية لدى الفئران. ولم يسبب الجهاز علامات خطيرة لالتهاب الأنسجة وتلفها، وأظهر إجهادًا ميكانيكيًا على العضلات بنسبة 15% تقريبًا، بما يتوافق مع تشوهها الطبيعي أثناء التمرين.

كتاب أوميكس الإلكتروني

تجميع لأهم المقابلات والمقالات والأخبار من العام الماضي. تنزيل نسخة مجانية

ولتقييم الفعالية العلاجية، استخدم الباحثون بعد ذلك نموذجًا حيًا لضمور العضلات عن طريق تثبيت الطرف الخلفي للفأر في حاوية صغيرة تشبه الجص لمدة تصل إلى أسبوعين بعد زرع جهاز MAGENTA. قال المؤلف الرئيسي وزميل تطوير التكنولوجيا في Wyss سونغمين نام، دكتوراه: "بينما اختفت العضلات غير المعالجة والعضلات التي عولجت بالجهاز ولكن لم يتم تحفيزها بشكل ملحوظ خلال هذه الفترة، أظهرت العضلات المحفزة بنشاط فقدانًا أقل للعضلات". "يمكن لنهجنا أيضًا أن يعزز استعادة كتلة العضلات التي فقدتها بالفعل خلال فترة ثلاثة أسابيع من الشلل والحث على تنشيط مسارات النقل الميكانيكي الكيميائي الحيوي الرئيسية المعروفة بتحفيز تخليق البروتين ونمو العضلات.

جوانب العلاج الميكانيكي

في دراسة سابقة، وجدت مجموعة موني، بالتعاون مع مجموعة كونور والش، عضو هيئة التدريس المساعد في Wyss، أن الضغط الدوري المنظم (بدلاً من التمدد والتقلص) للعضلات المصابة بشدة باستخدام جهاز آلي ناعم آخر يقلل الالتهاب ويمكّن من إصلاح ألياف العضلات في العضلات المصابة بشدة. وفي دراستهم الجديدة، تساءل فريق موني عما إذا كانت قوى الضغط هذه يمكن أن تحمي أيضًا من فقدان العضلات. ومع ذلك، عندما قارنوا بشكل مباشر ضغط العضلات عبر الجهاز السابق مع تمدد العضلات وتقلصها عبر جهاز MAGENTA، كان للأخير فقط تأثيرات علاجية واضحة في نموذج ضمور الفأر. وقال موني: "هناك فرصة جيدة لأن تؤدي الأساليب الروبوتية الناعمة المختلفة، بتأثيراتها الفريدة على الأنسجة العضلية، إلى فتح مسارات علاج ميكانيكي خاصة بالأمراض أو الإصابات".

ولتوسيع قدرات MAGENTA بشكل أكبر، قام الفريق بالتحقيق فيما إذا كان من الممكن أيضًا تنشيط نابض SMA بواسطة ضوء الليزر، وهو ما لم يتم عرضه من قبل وسيجعل هذا النهج لاسلكيًا بشكل أساسي ويوسع فائدته العلاجية. في الواقع، أظهروا أن جهاز MAGENTA المزروع بدون أسلاك كهربائية يمكن أن يعمل كمشغل حساس للضوء ويشوه الأنسجة العضلية عند تشعيعها بضوء الليزر من خلال طبقة الجلد المغطاة. في حين أن تنشيط الليزر لم يصل إلى نفس ترددات التنشيط الكهربائي، ويبدو أن الأنسجة الدهنية على وجه الخصوص تمتص بعض ضوء الليزر، يعتقد الباحثون أن حساسية الجهاز للضوء وأدائه يمكن تحسينهما بشكل أكبر. يقول نام: "إن القدرات العامة لـ MAGENTA وحقيقة أن تجميعها يمكن أن يتم قياسه بسهولة من المليمترات إلى عدة سنتيمترات يمكن أن يجعلها مثيرة للاهتمام كعنصر أساسي في العلاج الميكانيكي المستقبلي، ليس فقط لعلاج الضمور ولكن ربما أيضًا لتسريع عملية تجديد الجلد والقلب والمواقع الأخرى التي يمكن أن تستفيد من هذا النوع من النقل الميكانيكي".

"إن الاعتراف المتزايد بأن العلاجات الميكانيكية يمكن أن تلبي الاحتياجات الحرجة غير الملباة في الطب التجديدي بطرق لا تستطيع العلاجات القائمة على الأدوية ببساطة أن تحفز مجالًا جديدًا من الأبحاث التي تربط الابتكارات الروبوتية بعلم وظائف الأعضاء البشرية وصولاً إلى مستوى مسارات الإشارات الجزيئية التي تنقل المحفزات الميكانيكية الأخرى" ، قال المدير المؤسس لـ Wyss دونالد إنجبر ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه. "تعد هذه الدراسة التي أجراها ديف موني ومجموعته مثالًا أنيقًا ورائدًا للغاية لكيفية استخدام هذا النوع من العلاج الميكانيكي سريريًا في المستقبل." إنجبر هو أيضًا أستاذ جودا فولكمان لبيولوجيا الأوعية الدموية في كلية الطب بجامعة هارفارد ومستشفى بوسطن للأطفال وأستاذ هانسيورج ويس للهندسة الحيوية في SEAS.

ومن بين المؤلفين الآخرين للدراسة بو ري سيو وألكسندر نجيبي وستيفاني ماكنمارا من مجموعة موني في معهد ويس وSEAS. تم تمويل الدراسة من قبل المعهد الوطني لأبحاث طب الأسنان والقحف الوجهي (رقم الجائزة R01DE013349)، ومعهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية (رقم الجائزة P2CHD086843)، ومركز علوم وهندسة أبحاث المواد التابع لمؤسسة العلوم الوطنية في جامعة هارفارد (رقم الجائزة DMR14-20570).

مصدر:

معهد ويس للهندسة المستوحاة بيولوجيا في جامعة هارفارد

مرجع:

نام، S.، وآخرون. (2022) يعمل لاصق الأنسجة النشط على تنشيط أجهزة الاستشعار الميكانيكية ويمنع فقدان العضلات. مواد طبيعية. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.