Механично активното лепило предотвратява и подпомага възстановяването от мускулна атрофия

Механично активното лепило предотвратява и подпомага възстановяването от мускулна атрофия

Мускулна загуба от твърде малко упражнения, както се случва бързо при счупен крайник, обездвижен в гипс, и по-бавно при хора в напреднала възраст. Мускулната атрофия, както клиницистите наричат ​​феномена, също е инвалидизиращ симптом при пациенти, страдащи от неврологични заболявания като амиотрофична латерална склероза (ALS) и множествена склероза (MS), и може да бъде системен отговор на различни други заболявания, включително рак и диабет.

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

Счита се, че механотерапията, мануална или механична форма на терапия, има широк потенциал за възстановяване на тъканите. Най-известният пример е масажът, при който мускулите се отпускат чрез стимулиране с натиск. Въпреки това е много по-малко ясно дали разтягането и свиването на мускулите чрез външни средства също може да бъде лечение. Към днешна дата две основни предизвикателства са възпрепятствали подобни проучвания: ограничени механични системи, способни да генерират сили на разтягане и свиване равномерно по дължината на мускулите, и неефективно доставяне на тези механични стимули към повърхността и по-дълбоките слоеве на мускулната тъкан.

Сега биоинженери от Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering към Харвардския университет и Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) са разработили механично активно лепило, наречено MAGENTA, което действа като меко роботизирано устройство и решава и двата проблема – проблем със сгъването. В животински модел MAGENTA успешно предотвратява и насърчава възстановяването от мускулна атрофия. Резултатите на екипа са публикувани в Nature Materials.

С MAGENTA разработихме нова интегрирана многокомпонентна система за мускулна механостимулация, която може да се приложи директно върху мускулната тъкан, за да задейства ключови молекулярни сигнални пътища за растеж. Въпреки че проучването предоставя първото доказателство за концепцията, че външно доставените движения на разтягане и свиване могат да предотвратят атрофия в животински модел, ние вярваме, че основният дизайн на устройството може да бъде широко адаптиран към различни условия на заболяване, където атрофията е основен проблем.

Дейвид Муни, д-р, старши автор и член на Wyss Founding Core Faculty

Mooney ръководи платформата за имуноматериали на Wyss Institute и също така е професор по биоинженерство на Робърт П. Пинкас в SEAS.

Лепило, което може да движи мускулите

Един от основните компоненти на MAGENTA е конструирана пружина, направена от Nitinol, вид метал, известен като "сплав с памет на формата" (SMA), която позволява на MAGENTA да се активира бързо при нагряване до определена температура. Изследователите активират пружината, като я свързват електрически към микропроцесорен модул, който може да програмира честотата и продължителността на циклите на разширяване и свиване. Другите компоненти на MAGENTA са еластомерна матрица, която оформя тялото на устройството и изолира нагрятата SMA, и „здраво лепило“, което позволява на устройството да бъде здраво прикрепено към мускулната тъкан. По този начин устройството е подравнено с естествената ос на движение на мускула и предава механичната сила, генерирана от SMA дълбоко в мускула. Групата на Mooney's разработва MAGENTA, което означава "механично активен гел еластомер нитинол лепило за тъкани", като едно от няколкото здрави гел лепила с функционалности, пригодени за различни регенеративни приложения в множество тъкани.

След разработването и сглобяването на устройството MAGENTA, екипът тества неговия мускулно-деформиращ потенциал, първо в изолирани мускули ex vivo и след това чрез имплантиране в един от основните мускули на прасеца на мишки. Устройството не причинява сериозни признаци на възпаление и увреждане на тъканите и демонстрира механичен стрес върху мускулите от приблизително 15%, в съответствие с естествената им деформация по време на тренировка.

Електронна книга Omics

Компилация от най-добрите интервюта, статии и новини от последната година. Изтеглете безплатно копие

За да оценят терапевтичната ефективност, изследователите след това са използвали in vivo модел на мускулна атрофия чрез обездвижване на задния крайник на мишка в малка, подобна на гипс кутия за до две седмици след имплантирането на устройството MAGENTA. „Докато нетретираните мускули и мускулите, които са били третирани с устройството, но не са били стимулирани, са изчезнали значително през този период, активно стимулираните мускули са показали по-малка загуба на мускули“, каза водещият автор и сътрудник в Wyss Technology Development Sungmin Nam, Ph.D. „Нашият подход би могъл също така да насърчи възстановяването на мускулна маса, която вече е била загубена за триседмичен период на обездвижване и да предизвика активиране на ключови биохимични пътища на механотрансдукция, за които е известно, че индуцират протеинов синтез и мускулен растеж.

Аспекти на механотерапията

В предишно проучване групата на Mooney, в сътрудничество с групата на Conor Walsh, член на Wyss Associate Faculty, установи, че регулираната циклична компресия (за разлика от разтягане и свиване) на остро наранени мускули с помощта на друго меко роботизирано устройство намалява възпалението и позволява възстановяване на мускулните влакна в остро наранения мускул. В новото си проучване екипът на Мууни попита дали тези сили на натиск могат също да предпазят от загуба на мускули. Въпреки това, когато те директно сравняват мускулната компресия чрез предишното устройство с мускулно разтягане и свиване чрез устройството MAGENTA, само последното има ясни терапевтични ефекти в модела на атрофия на мишката. „Има голям шанс различни меки роботизирани подходи, с техните уникални ефекти върху мускулната тъкан, да отворят специфични за заболяване или нараняване механотерапевтични пътища“, каза Муни.

За да разшири още повече възможностите на MAGENTA, екипът проучи дали SMA пружината може да се активира и от лазерна светлина, което не беше показано преди и по същество ще направи подхода безжичен и ще разшири терапевтичната му полезност. Всъщност те показаха, че имплантирано устройство MAGENTA без електрически проводници може да действа като светлочувствителен задвижващ механизъм и да деформира мускулната тъкан, когато бъде облъчено с лазерна светлина през покриващия слой на кожата. Въпреки че лазерното активиране не достига същите честоти като електрическото активиране и по-специално мастната тъкан изглежда абсорбира малко лазерна светлина, изследователите смятат, че демонстрираната светлинна чувствителност и производителност на устройството могат да бъдат допълнително подобрени. „Общите възможности на MAGENTA и фактът, че нейният монтаж може лесно да бъде мащабиран от милиметри до няколко сантиметра, биха могли да я направят интересна като централен елемент на бъдещата механотерапия, не само за лечение на атрофия, но може би и за ускоряване на регенерацията в кожата, сърцето и други места, които биха могли да се възползват от тази форма на механотрансдукция“, каза Нам.

„Нарастващото признание, че механотерапиите могат да отговорят на критични незадоволени нужди в регенеративната медицина по начини, които терапиите, базирани на лекарства, просто не могат, стимулира нова област на изследване, която свързва роботизираните иновации с човешката физиология до нивото на молекулярни сигнални пътища, които предават други механични стимули“, каза директорът-основател на Wyss Доналд Ингбер, MD, Ph.D. „Това проучване на Дейв Муни и неговата група е много елегантен и пионерски пример за това как този тип механотерапия може да се използва клинично в бъдеще.“ Ингбер също е професор по съдова биология на Джуда Фолкман в Медицинското училище в Харвард и Детската болница в Бостън и професор на Хансйорг Вис по биоинспирирано инженерство в SEAS.

Други автори на изследването включват Бо Ри Сео, Александър Наджиби и Стефани Макнамара от групата на Мууни в института Wyss и SEAS. Проучването е финансирано от Националния институт по дентални и краниофациални изследвания (номер на наградата R01DE013349), Националния институт за детско здраве и човешко развитие Юнис Кенеди Шрайвър (номер на наградата P2CHD086843) и Центъра за изследване на материалите и инженерния център на Националната научна фондация към Харвардския университет (номер на наградата DMR14-20570).

източник:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering в Харвард

Справка:

Nam, S., et al. (2022) Активното тъканно лепило активира механосензорите и предотвратява загубата на мускули. Естествени материали. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.