Mekanisk aktivt klæbemiddel forhindrer og understøtter restitution fra muskelatrofi

Mekanisk aktivt klæbemiddel forhindrer og understøtter restitution fra muskelatrofi

Muskelsvind fra for lidt motion, som sker hurtigt i et brækket lem, der er immobiliseret i gips, og langsommere hos mennesker i høj alder. Muskelatrofi, som klinikere henviser til fænomenet, er også et invaliderende symptom hos patienter, der lider af neurologiske sygdomme såsom amyotrofisk lateral sklerose (ALS) og multipel sklerose (MS), og kan være en systemisk reaktion på forskellige andre sygdomme, herunder cancer og diabetes.

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

Mekanoterapi, en manuel eller mekanisk form for terapi, anses for at have et bredt potentiale for vævsreparation. Det mest kendte eksempel er massage, hvor musklerne afspændes gennem trykstimulering. Det er dog meget mindre klart, om udstrækning og sammentrækning af muskler med ydre midler også kan være en behandling. Til dato har to store udfordringer forhindret sådanne undersøgelser: begrænsede mekaniske systemer, der er i stand til at generere stræk- og kontraktionskræfter ensartet langs længden af ​​muskler, og ineffektiv levering af disse mekaniske stimuli til overfladen og dybere lag af muskelvæv.

Nu har bioingeniører ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklet et mekanisk aktivt klæbemiddel kaldet MAGENTA, der fungerer som en blød robotanordning og løser begge disse problemer – foldeproblem. I en dyremodel forhindrede og fremmede MAGENTA med succes restitution fra muskelatrofi. Holdets resultater offentliggøres i Nature Materials.

Med MAGENTA har vi udviklet et nyt integreret multikomponentsystem til muskelmekanostimulation, der kan påføres direkte på muskelvæv for at udløse vigtige molekylære signalveje for vækst. Mens undersøgelsen giver det første proof of concept, at eksternt leverede stræk- og kontraktionsbevægelser kan forhindre atrofi i en dyremodel, mener vi, at enhedens kernedesign kan tilpasses bredt til forskellige sygdomsindstillinger, hvor atrofi er et stort problem."

David Mooney, Ph.D., seniorforfatter og medlem af Wyss Founding Core Faculty

Mooney leder Wyss Institutes Immuno-Materials Platform og er også Robert P. Pinkas familieprofessor i bioingeniør ved SEAS.

Et klæbemiddel, der kan bevæge muskler

En af MAGENTAs hovedkomponenter er en konstrueret fjeder lavet af Nitinol, en type metal kendt som "shape memory alloy" (SMA), som gør det muligt for MAGENTA at blive aktiveret hurtigt, når den opvarmes til en bestemt temperatur. Forskerne aktiverede fjederen ved at koble den elektrisk til en mikroprocessorenhed, der kan programmere frekvensen og varigheden af ​​ekspansions- og sammentrækningscyklusserne. MAGENTAs øvrige komponenter er en elastomer matrix, der danner enhedens krop og isolerer den opvarmede SMA, og en "hård klæbestof", der gør det muligt for enheden at blive fastgjort til muskelvæv. På denne måde er enheden justeret med muskelbevægelsens naturlige akse og overfører den mekaniske kraft, der genereres af SMA, dybt ind i musklen. Mooneys gruppe er ved at udvikle MAGENTA, som står for "mekanisk aktiv gel elastomer nitinol tissue adhesive", som en af ​​flere hårde gel lime med funktionaliteter skræddersyet til forskellige regenerative applikationer i flere væv.

Efter at have udviklet og samlet MAGENTA-enheden testede holdet dets muskeldeformerende potentiale, først i isolerede muskler ex vivo og derefter ved implantation i en af ​​de vigtigste lægmuskler hos mus. Enheden forårsagede ikke alvorlige tegn på vævsbetændelse og beskadigelse og demonstrerede mekanisk belastning på musklerne på ca. 15 %, i overensstemmelse med deres naturlige deformation under træning.

Omics e-bog

Samling af de bedste interviews, artikler og nyheder fra det sidste år. Download en gratis kopi

For at evaluere terapeutisk effektivitet brugte forskerne derefter en in vivo-model af muskelatrofi ved at immobilisere en muses bagben i et lille, gipslignende kabinet i op til to uger efter implantation af MAGENTA-enheden. "Mens ubehandlede muskler og muskler, der blev behandlet med enheden, men ikke stimuleret væsentligt forsvandt i denne periode, viste de aktivt stimulerede muskler mindre muskeltab," sagde hovedforfatter og Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam, Ph.D. "Vores tilgang kunne også fremme genopretningen af ​​muskelmasse, der allerede var gået tabt over en tre-ugers periode med immobilisering og inducere aktivering af vigtige biokemiske mekanotransduktionsveje, der vides at inducere proteinsyntese og muskelvækst.

Facetter af mekanoterapi

I en tidligere undersøgelse fandt Mooneys gruppe i samarbejde med gruppen af ​​Conor Walsh, et Wyss Associate Faculty-medlem, ud af, at reguleret cyklisk kompression (i modsætning til strækning og sammentrækning) af akut skadede muskler ved hjælp af en anden blød robotanordning reducerede inflammation og muliggjorde reparation af muskelfibre i den akut skadede muskel. I deres nye undersøgelse spurgte Mooneys hold, om disse kompressionskræfter også kunne beskytte mod muskeltab. Men når de direkte sammenlignede muskelkompression via den tidligere enhed med muskelstrækning og sammentrækning via MAGENTA-anordningen, havde kun sidstnævnte klare terapeutiske effekter i museatrofi-modellen. "Der er en god chance for, at forskellige bløde robottilgange, med deres unikke virkninger på muskelvæv, kan åbne op for sygdoms- eller skadesspecifikke mekanoterapeutiske veje," sagde Mooney.

For yderligere at udvide MAGENTAs muligheder undersøgte holdet, om SMA-fjederen også kunne aktiveres af laserlys, som ikke var blevet vist før og i det væsentlige ville gøre tilgangen trådløs og udvide dens terapeutiske nytte. Faktisk viste de, at en implanteret MAGENTA-enhed uden elektriske ledninger kunne fungere som en lysfølsom aktuator og deformere muskelvæv, når den bestråles med laserlys gennem det overliggende hudlag. Mens laseraktivering ikke nåede de samme frekvenser som elektrisk aktivering, og især fedtvæv syntes at absorbere noget laserlys, mener forskerne, at enhedens demonstrerede lysfølsomhed og ydeevne kunne forbedres yderligere. "MAGENTAs generelle muligheder og det faktum, at dets samling nemt kan skaleres fra millimeter til flere centimeter, kunne gøre det interessant som et centralt element i fremtidig mekanoterapi, ikke kun til behandling af atrofi, men måske også til at accelerere regenerering i hud, hjerte og andre steder, der kunne drage fordel af denne form for mekanotransduktion," sagde Nam.

"Den voksende erkendelse af, at mekanoterapier kan imødekomme kritiske udækkede behov inden for regenerativ medicin på måder, som lægemiddelbaserede terapier simpelthen ikke kan, har stimuleret et nyt forskningsområde, der forbinder robotinnovationer til menneskelig fysiologi ned til niveauet af molekylære signalveje, der transmitterer andre mekaniske stimuli," sagde Donald Ph. Ingber, stiftende direktør for Wyss. "Denne undersøgelse af Dave Mooney og hans gruppe er et meget elegant og banebrydende eksempel på, hvordan denne type mekanoterapi kan bruges klinisk i fremtiden." Ingber er også Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Boston Children's Hospital og Hansjörg Wyss-professor i bioinspireret teknik ved SEAS.

Andre forfattere af undersøgelsen omfatter Bo Ri Seo, Alexander Najibi og Stephanie McNamara fra Mooneys gruppe på Wyss Institute og SEAS. Undersøgelsen blev finansieret af National Institute of Dental and Craniofacial Research (prisnummer R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (prisnummer P2CHD086843) og Materials Research Science and Engineering Center fra National Science Foundation ved Harvard University (prisnummer DMR1704-205).

Kilde:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard

Reference:

Nam, S., et al. (2022) Aktivt vævsklæbemiddel aktiverer mekanosensorer og forhindrer muskeltab. Naturmaterialer. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.