Mechanicky aktivní lepidlo zabraňuje a podporuje zotavení ze svalové atrofie

Mechanicky aktivní lepidlo zabraňuje a podporuje zotavení ze svalové atrofie

Ubývání svalů z příliš malého cvičení, ke kterému dochází rychle u zlomené končetiny znehybněné v sádře, a pomaleji u lidí v pokročilém věku. Svalová atrofie, jak lékaři tento fenomén označují, je také vysilujícím příznakem u pacientů trpících neurologickými onemocněními, jako je amyotrofická laterální skleróza (ALS) a roztroušená skleróza (MS), a může být systémovou reakcí na různá další onemocnění, včetně rakoviny a cukrovky.

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

Mechanoterapie, manuální nebo mechanická forma terapie, je považována za mající široký potenciál pro opravu tkáně. Nejznámějším příkladem je masáž, při které dochází k uvolnění svalů tlakovou stimulací. Zda protahování a stahování svalů zevními prostředky může být také léčbou, je však daleko méně jasné. Dosud těmto studiím bránily dva hlavní problémy: omezené mechanické systémy schopné generovat natahovací a kontrakční síly rovnoměrně po celé délce svalů a neefektivní dodávání těchto mechanických podnětů na povrch a do hlubších vrstev svalové tkáně.

Nyní bioinženýři z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvard University a Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinuli mechanicky aktivní lepidlo nazvané MAGENTA, které funguje jako měkké robotické zařízení a řeší oba tyto problémy – problém se skládáním. Na zvířecím modelu MAGENTA úspěšně zabránila a podpořila zotavení ze svalové atrofie. Výsledky týmu jsou publikovány v Nature Materials.

S MAGENTA jsme vyvinuli nový integrovaný vícesložkový systém pro svalovou mechanostimulaci, který lze aplikovat přímo na svalovou tkáň, aby spustil klíčové molekulární signální dráhy pro růst. Zatímco studie poskytuje první důkaz konceptu, že externě dodávané natahovací a kontrakční pohyby mohou zabránit atrofii na zvířecím modelu, věříme, že základní design zařízení lze široce přizpůsobit různým onemocněním, kde je atrofie hlavním problémem.

David Mooney, Ph.D., hlavní autor a člen zakládající základní fakulty Wyss

Mooney vede platformu Immuno-Materials Platform Wyss Institute a je také rodinným profesorem bioinženýrství Roberta P. Pinkase na SEAS.

Lepidlo, které dokáže hýbat svaly

Jednou z hlavních součástí MAGENTY je umělá pružina vyrobená z Nitinolu, typu kovu známého jako "slitina s tvarovou pamětí" (SMA), která umožňuje rychlou aktivaci MAGENTY při zahřátí na určitou teplotu. Výzkumníci aktivovali pružinu elektrickým připojením k mikroprocesorové jednotce, která dokáže naprogramovat frekvenci a trvání cyklů expanze a kontrakce. Dalšími součástmi MAGENTA jsou elastomerní matrice, která tvoří tělo zařízení a izoluje zahřátý SMA, a „pevné lepidlo“, které umožňuje pevné připojení zařízení ke svalové tkáni. Tímto způsobem je zařízení vyrovnáno s přirozenou osou svalového pohybu a přenáší mechanickou sílu generovanou SMA hluboko do svalu. Skupina Mooney vyvíjí MAGENTA, což je zkratka pro "mechanicky aktivní gelové elastomerní nitinolové tkáňové lepidlo", jako jedno z několika tvrdých gelových lepidel s funkcemi přizpůsobenými různým regeneračním aplikacím ve více tkáních.

Po vývoji a sestavení zařízení MAGENTA tým testoval jeho potenciál deformace svalů, nejprve v izolovaných svalech ex vivo a poté implantací do jednoho z hlavních lýtkových svalů myší. Zařízení nezpůsobilo vážné známky zánětu a poškození tkáně a prokázalo mechanické namáhání svalů přibližně 15 %, což odpovídá jejich přirozené deformaci během cvičení.

Elektronická kniha Omics

Kompilace top rozhovorů, článků a novinek za poslední rok. Stáhněte si bezplatnou kopii

K vyhodnocení terapeutické účinnosti výzkumníci dále použili in vivo model svalové atrofie znehybněním zadní končetiny myši v malém, sádrovém krytu po dobu až dvou týdnů po implantaci zařízení MAGENTA. "Zatímco neléčené svaly a svaly, které byly léčeny přístrojem, ale nebyly stimulovány, během tohoto období výrazně zmizely, aktivně stimulované svaly vykazovaly menší ztrátu svalové hmoty," řekl vedoucí autor a spolupracovník Wyss Technology Development Sungmin Nam, Ph.D. „Náš přístup by také mohl podpořit obnovu svalové hmoty, která již byla ztracena během třítýdenního období imobilizace, a vyvolat aktivaci klíčových biochemických mechanotransdukčních drah, o nichž je známo, že indukují syntézu proteinů a růst svalů.

Aspekty mechanoterapie

V předchozí studii Mooneyho skupina ve spolupráci se skupinou Conora Walshe, člena přidružené fakulty Wyss, zjistila, že regulovaná cyklická komprese (na rozdíl od protahování a stahování) akutně zraněných svalů pomocí jiného měkkého robotického zařízení snižuje zánět a umožňuje opravu svalových vláken v akutně zraněném svalu. Ve své nové studii se Mooneyho tým zeptal, zda tyto kompresní síly mohou také chránit před ztrátou svalů. Když však přímo porovnávali svalovou kompresi prostřednictvím předchozího zařízení s natahováním a kontrakcí svalů pomocí zařízení MAGENTA, pouze to druhé mělo jasné terapeutické účinky v modelu myší atrofie. "Existuje dobrá šance, že různé měkké robotické přístupy s jejich jedinečnými účinky na svalovou tkáň by mohly otevřít mechanoterapeutické cesty specifické pro onemocnění nebo zranění," řekl Mooney.

K dalšímu rozšíření možností MAGENTA tým zkoumal, zda by pružinu SMA bylo možné aktivovat také laserovým světlem, které dosud nebylo ukázáno a v podstatě by učinilo přístup bezdrátovým a rozšířilo jeho terapeutické využití. Ve skutečnosti prokázali, že implantovaný přístroj MAGENTA bez elektrických drátů může fungovat jako světlocitlivý aktuátor a deformovat svalovou tkáň, když je ozařován laserovým světlem přes překrývající se vrstvu kůže. Zatímco aktivace laserem nedosahovala stejných frekvencí jako elektrická aktivace a zdálo se, že zejména tuková tkáň absorbuje část laserového světla, vědci se domnívají, že prokázaná citlivost a výkon zařízení na světlo by se daly dále zlepšit. "Obecné schopnosti MAGENTY a skutečnost, že její montáž lze snadno škálovat od milimetrů po několik centimetrů, by ji mohly učinit zajímavou jako ústřední prvek budoucí mechanoterapie, nejen pro léčbu atrofie, ale možná také pro urychlení regenerace v kůži, srdci a dalších místech, která by mohla těžit z této formy mechanotransdukce," řekl Nam.

„Rostoucí poznání, že mechanoterapie mohou řešit kritické nenaplněné potřeby v regenerativní medicíně způsoby, které terapie založené na léčivech prostě nemohou, podnítilo novou oblast výzkumu, která propojuje robotické inovace s lidskou fyziologií až na úroveň molekulárních signálních drah, které přenášejí jiné mechanické podněty,“ řekl zakládající ředitel Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D. "Tato studie Dave Mooney a jeho skupiny je velmi elegantním a průkopnickým příkladem toho, jak by se tento typ mechanoterapie mohl v budoucnu klinicky používat." Ingber je také profesorem vaskulární biologie Judah Folkman na Harvard Medical School a Boston Children's Hospital a Hansjörg Wyss profesorem bioinspirovaného inženýrství na SEAS.

Mezi další autory studie patří Bo Ri Seo, Alexander Najibi a Stephanie McNamara z Mooneyho skupiny ve Wyss Institute a SEAS. Studie byla financována Národním institutem pro dentální a kraniofaciální výzkum (číslo ocenění R01DE013349), Národním institutem pro zdraví dětí a lidského rozvoje Eunice Kennedy Shriver (číslo ocenění P2CHD086843) a Centrem pro výzkum materiálů National Science Foundation na Harvardské univerzitě (číslo ocenění DMR05704-2).

Zdroj:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvardu

Odkaz:

Nam, S., a kol. (2022) Aktivní tkáňové lepidlo aktivuje mechanosensory a zabraňuje ztrátě svalové hmoty. Přírodní materiály. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.