Η μηχανικά ενεργή κόλλα προλαμβάνει και υποστηρίζει την ανάρρωση από μυϊκή ατροφία

Η μηχανικά ενεργή κόλλα προλαμβάνει και υποστηρίζει την ανάρρωση από μυϊκή ατροφία

Μυϊκή απώλεια από πολύ λίγη άσκηση, όπως συμβαίνει γρήγορα σε ένα σπασμένο άκρο ακινητοποιημένο σε γύψο και πιο αργά σε άτομα προχωρημένης ηλικίας. Η μυϊκή ατροφία, όπως αναφέρουν οι κλινικοί γιατροί, είναι επίσης ένα εξουθενωτικό σύμπτωμα σε ασθενείς που πάσχουν από νευρολογικές παθήσεις όπως η αμυοτροφική πλάγια σκλήρυνση (ALS) και η σκλήρυνση κατά πλάκας (MS), και μπορεί να είναι μια συστηματική απόκριση σε διάφορες άλλες ασθένειες, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου και του διαβήτη.

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

Η μηχανοθεραπεία, μια χειροκίνητη ή μηχανική μορφή θεραπείας, θεωρείται ότι έχει ευρεία δυνατότητα επιδιόρθωσης ιστών. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι το μασάζ, στο οποίο οι μύες χαλαρώνουν μέσω διέγερσης πίεσης. Ωστόσο, είναι πολύ λιγότερο σαφές εάν το τέντωμα και η συστολή των μυών με εξωτερικά μέσα μπορεί επίσης να είναι θεραπεία. Μέχρι σήμερα, δύο μεγάλες προκλήσεις έχουν αποτρέψει τέτοιες μελέτες: περιορισμένα μηχανικά συστήματα ικανά να παράγουν δυνάμεις τάνυσης και συστολής ομοιόμορφα κατά μήκος των μυών και η αναποτελεσματική παροχή αυτών των μηχανικών ερεθισμάτων στην επιφάνεια και στα βαθύτερα στρώματα του μυϊκού ιστού.

Τώρα, βιομηχανικοί του Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και του Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) έχουν αναπτύξει μια μηχανικά ενεργή κόλλα που ονομάζεται MAGENTA που λειτουργεί ως μαλακή ρομποτική συσκευή και λύνει και τα δύο προβλήματα - πρόβλημα αναδίπλωσης. Σε ένα ζωικό μοντέλο, το MAGENTA απέτρεψε και προώθησε με επιτυχία την ανάρρωση από μυϊκή ατροφία. Τα αποτελέσματα της ομάδας δημοσιεύονται στο Nature Materials.

Με το MAGENTA, έχουμε αναπτύξει ένα νέο ολοκληρωμένο σύστημα πολλαπλών συστατικών για μηχανοδιέγερση των μυών που μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας στον μυϊκό ιστό για να ενεργοποιήσει βασικές οδούς μοριακής σηματοδότησης για την ανάπτυξη. Ενώ η μελέτη παρέχει την πρώτη απόδειξη της ιδέας ότι οι εξωτερικές κινήσεις τεντώματος και συστολής μπορούν να αποτρέψουν την ατροφία σε ένα ζωικό μοντέλο, πιστεύουμε ότι ο βασικός σχεδιασμός της συσκευής μπορεί να προσαρμοστεί ευρέως σε διάφορες ασθένειες όπου η ατροφία είναι ένα σημαντικό πρόβλημα.

David Mooney, Ph.D., ανώτερος συγγραφέας και μέλος του Wyss Founding Core Faculty

Ο Mooney ηγείται της πλατφόρμας ανοσολογικών υλικών του Ινστιτούτου Wyss και είναι επίσης ο καθηγητής βιομηχανικής της οικογένειας Robert P. Pinkas στο SEAS.

Μια κόλλα που μπορεί να κινήσει τους μύες

Ένα από τα κύρια εξαρτήματα του MAGENTA είναι ένα κατασκευασμένο ελατήριο κατασκευασμένο από Nitinol, ένα είδος μετάλλου γνωστό ως "κράμα μνήμης σχήματος" (SMA), το οποίο επιτρέπει στο MAGENTA να ενεργοποιείται γρήγορα όταν θερμαίνεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Οι ερευνητές ενεργοποίησαν το ελατήριο συνδέοντάς το ηλεκτρικά σε μια μονάδα μικροεπεξεργαστή που μπορεί να προγραμματίσει τη συχνότητα και τη διάρκεια των κύκλων διαστολής και συστολής. Τα άλλα συστατικά του MAGENTA είναι μια ελαστομερής μήτρα που σχηματίζει το σώμα της συσκευής και μονώνει το θερμαινόμενο SMA, και μια «σκληρή κόλλα» που επιτρέπει στη συσκευή να στερεώνεται σταθερά στον μυϊκό ιστό. Με αυτόν τον τρόπο, η συσκευή ευθυγραμμίζεται με τον φυσικό άξονα της κίνησης των μυών και μεταδίδει τη μηχανική δύναμη που δημιουργείται από το SMA βαθιά μέσα στον μυ. Ο όμιλος Mooney αναπτύσσει το MAGENTA, το οποίο σημαίνει "μηχανικά ενεργό τζελ ελαστομερές νιτινόλη ιστού συγκολλητικό", ως ένα από τα πολλά σκληρά συγκολλητικά γέλης με λειτουργίες προσαρμοσμένες σε διάφορες αναγεννητικές εφαρμογές σε πολλαπλούς ιστούς.

Μετά την ανάπτυξη και τη συναρμολόγηση της συσκευής MAGENTA, η ομάδα δοκίμασε τη δυνατότητα παραμόρφωσης των μυών της, πρώτα σε απομονωμένους μύες ex vivo και στη συνέχεια με εμφύτευση σε έναν από τους κύριους μύες της γάμπας των ποντικών. Η συσκευή δεν προκάλεσε σοβαρά σημάδια φλεγμονής και βλάβης στους ιστούς και έδειξε μηχανική καταπόνηση στους μύες περίπου 15%, σύμφωνα με τη φυσική τους παραμόρφωση κατά τη διάρκεια της άσκησης.

Ηλεκτρονικό βιβλίο Omics

Συγκέντρωση των κορυφαίων συνεντεύξεων, άρθρων και ειδήσεων του περασμένου έτους. Κατεβάστε ένα δωρεάν αντίγραφο

Για να αξιολογήσουν τη θεραπευτική αποτελεσματικότητα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στη συνέχεια ένα in vivo μοντέλο μυϊκής ατροφίας ακινητοποιώντας το πίσω άκρο ενός ποντικιού σε ένα μικροσκοπικό περίβλημα που μοιάζει με γύψο για έως και δύο εβδομάδες μετά την εμφύτευση της συσκευής MAGENTA. "Ενώ οι μύες και οι μύες που δεν υποβλήθηκαν σε θεραπεία με τη συσκευή αλλά δεν διεγέρθηκαν εξαφανίστηκαν σημαντικά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι ενεργά διεγερμένοι μύες παρουσίασαν λιγότερη απώλεια μυών", δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας και συνεργάτης της Wyss Technology Development, Sungmin Nam, Ph.D. «Η προσέγγισή μας θα μπορούσε επίσης να προωθήσει την ανάκτηση της μυϊκής μάζας που είχε ήδη χαθεί κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ακινητοποίησης τριών εβδομάδων και να προκαλέσει την ενεργοποίηση βασικών βιοχημικών οδών μηχανομετατροπής που είναι γνωστό ότι προκαλούν πρωτεϊνική σύνθεση και μυϊκή ανάπτυξη.

Όψεις μηχανοθεραπείας

Σε μια προηγούμενη μελέτη, η ομάδα του Mooney, σε συνεργασία με την ομάδα του Conor Walsh, μέλος της Wyss Associate Faculty, βρήκε ότι η ρυθμιζόμενη κυκλική συμπίεση (σε αντίθεση με το τέντωμα και τη σύσπαση) των οξέων τραυματισμένων μυών χρησιμοποιώντας μια άλλη μαλακή ρομποτική συσκευή μείωσε τη φλεγμονή και επέτρεψε την αποκατάσταση των μυϊκών ινών στον οξύ τραυματισμένο μυ. Στη νέα τους μελέτη, η ομάδα του Mooney ρώτησε εάν αυτές οι συμπιεστικές δυνάμεις θα μπορούσαν επίσης να προστατεύσουν από την απώλεια μυών. Ωστόσο, όταν συνέκριναν απευθείας τη μυϊκή συμπίεση μέσω της προηγούμενης συσκευής με το τέντωμα και τη σύσπαση των μυών μέσω της συσκευής MAGENTA, μόνο η τελευταία είχε σαφή θεραπευτικά αποτελέσματα στο μοντέλο ατροφίας ποντικού. «Υπάρχει μια καλή πιθανότητα διαφορετικές μαλακές ρομποτικές προσεγγίσεις, με τις μοναδικές τους επιδράσεις στον μυϊκό ιστό, να ανοίξουν μηχανοθεραπευτικά μονοπάτια ειδικά για ασθένεια ή τραυματισμό», είπε ο Mooney.

Για να επεκτείνει περαιτέρω τις δυνατότητες του MAGENTA, η ομάδα ερεύνησε εάν το ελατήριο SMA θα μπορούσε επίσης να ενεργοποιηθεί με φως λέιζερ, το οποίο δεν είχε παρουσιαστεί πριν και ουσιαστικά θα έκανε την προσέγγιση ασύρματη και θα επέκτεινε τη θεραπευτική του χρησιμότητα. Στην πραγματικότητα, έδειξαν ότι μια εμφυτευμένη συσκευή MAGENTA χωρίς ηλεκτρικά καλώδια θα μπορούσε να λειτουργήσει ως φωτοευαίσθητος ενεργοποιητής και να παραμορφώσει τον μυϊκό ιστό όταν ακτινοβοληθεί με φως λέιζερ μέσω του υπερκείμενου στρώματος του δέρματος. Ενώ η ενεργοποίηση με λέιζερ δεν έφτασε τις ίδιες συχνότητες με την ηλεκτρική ενεργοποίηση και ο λιπώδης ιστός φαινόταν να απορροφά λίγο φως λέιζερ, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η αποδεδειγμένη ευαισθησία και η απόδοση της συσκευής στο φως θα μπορούσαν να βελτιωθούν περαιτέρω. «Οι γενικές δυνατότητες του MAGENTA και το γεγονός ότι η συναρμολόγησή του μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί από χιλιοστά σε αρκετά εκατοστά θα μπορούσε να το κάνει ενδιαφέρον ως κεντρικό στοιχείο της μελλοντικής μηχανοθεραπείας, όχι μόνο για τη θεραπεία της ατροφίας αλλά ίσως και για την επιτάχυνση της αναγέννησης στο δέρμα, την καρδιά και άλλα σημεία που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από αυτή τη μορφή μηχανομετατροπής», είπε ο Nam.

«Η αυξανόμενη αναγνώριση ότι οι μηχανοθεραπείες μπορούν να ανταποκριθούν σε κρίσιμες ανεκπλήρωτες ανάγκες στην αναγεννητική ιατρική με τρόπους που οι θεραπείες που βασίζονται σε φάρμακα απλώς δεν μπορούν, διεγείρει έναν νέο τομέα έρευνας που συνδέει τις ρομποτικές καινοτομίες με την ανθρώπινη φυσιολογία μέχρι το επίπεδο των μονοπατιών μοριακής σηματοδότησης που μεταδίδουν άλλα μηχανικά ερεθίσματα. «Αυτή η μελέτη από τον Dave Mooney και την ομάδα του είναι ένα πολύ κομψό και πρωτοποριακό παράδειγμα για το πώς αυτό το είδος μηχανοθεραπείας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί κλινικά στο μέλλον». Ο Ingber είναι επίσης ο Judah Folkman Καθηγητής Αγγειακής Βιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και στο Παιδιατρικό Νοσοκομείο της Βοστώνης και ο Hansjörg Wyss καθηγητής Βιοεμπνευσμένης Μηχανικής στο SEAS.

Άλλοι συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνουν τους Bo Ri Seo, Alexander Najibi και Stephanie McNamara από την ομάδα Mooney στο Wyss Institute και το SEAS. Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Οδοντιατρικής και Κρανιοπροσωπικής Έρευνας (αριθμός βραβείου R01DE013349), το Εθνικό Ινστιτούτο Παιδικής Υγείας και Ανθρώπινης Ανάπτυξης Eunice Kennedy Shriver (αριθμός βραβείου P2CHD086843) και το Κέντρο Επιστήμης και Μηχανικής Έρευνας Υλικών του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ (αριθμός βραβείου 714-205).

Πηγή:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering στο Χάρβαρντ

Αναφορά:

Nam, S., et αϊ. (2022) Η ενεργή κόλλα ιστών ενεργοποιεί τους μηχανοαισθητήρες και αποτρέπει την απώλεια μυών. Φυσικά υλικά. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.