El adhesivo mecánicamente activo previene y apoya la recuperación de la atrofia muscular.

El adhesivo mecánicamente activo previene y apoya la recuperación de la atrofia muscular.

Pérdida de masa muscular por muy poco ejercicio, como ocurre rápidamente en una extremidad rota inmovilizada con un yeso, y más lentamente en personas de edad avanzada. La atrofia muscular, como los médicos llaman al fenómeno, también es un síntoma debilitante en pacientes que padecen enfermedades neurológicas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y la esclerosis múltiple (EM), y puede ser una respuesta sistémica a otras enfermedades, como el cáncer y la 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

Se considera que la mecanoterapia, una forma de terapia manual o mecánica, tiene un amplio potencial para la reparación de tejidos. El ejemplo más conocido es el masaje, en el que los músculos se relajan mediante estimulación por presión. Sin embargo, está mucho menos claro si estirar y contraer los músculos por medios externos también puede ser un tratamiento. Hasta la fecha, dos desafíos importantes han impedido tales estudios: sistemas mecánicos limitados capaces de generar fuerzas de estiramiento y contracción de manera uniforme a lo largo de los músculos, y la entrega ineficiente de estos estímulos mecánicos a la superficie y a las capas más profundas del tejido muscular.

Ahora, bioingenieros del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard han desarrollado un adhesivo mecánicamente activo llamado MAGENTA que actúa como un dispositivo robótico blando y resuelve ambos problemas: el problema del plegado. En un modelo animal, MAGENTA previno y promovió con éxito la recuperación de la atrofia muscular. Los resultados del equipo se publican en Nature Materials.

Con MAGENTA, hemos desarrollado un nuevo sistema integrado de múltiples componentes para la mecanoestimulación muscular que se puede aplicar directamente al tejido muscular para activar vías de señalización molecular clave para el crecimiento. Si bien el estudio proporciona la primera prueba de concepto de que los movimientos de estiramiento y contracción realizados externamente pueden prevenir la atrofia en un modelo animal, creemos que el diseño central del dispositivo se puede adaptar ampliamente a diversos entornos de enfermedades donde la atrofia es un problema importante”.

David Mooney, Ph.D., autor principal y miembro del cuerpo docente fundador de Wyss

Mooney dirige la Plataforma de Inmunomateriales del Instituto Wyss y también es profesor de Bioingeniería de la Familia Robert P. Pinkas en SEAS.

Un adhesivo que puede mover los músculos.

Uno de los componentes principales de MAGENTA es un resorte diseñado a partir de Nitinol, un tipo de metal conocido como "aleación con memoria de forma" (SMA), que permite que MAGENTA se active rápidamente cuando se calienta a una temperatura determinada. Los investigadores activaron el resorte conectándolo eléctricamente a una unidad de microprocesador que puede programar la frecuencia y duración de los ciclos de expansión y contracción. Los otros componentes de MAGENTA son una matriz elastomérica que forma el cuerpo del dispositivo y aísla el SMA calentado, y un "adhesivo resistente" que permite que el dispositivo se adhiera firmemente al tejido muscular. De esta manera, el dispositivo se alinea con el eje natural del movimiento muscular y transmite la fuerza mecánica generada por SMA profundamente al músculo. El grupo de Mooney está desarrollando MAGENTA, que significa "adhesivo tisular de nitinol elastómero de gel mecánicamente activo", como uno de varios adhesivos de gel resistentes con funcionalidades adaptadas a diversas aplicaciones regenerativas en múltiples tejidos.

Después de desarrollar y ensamblar el dispositivo MAGENTA, el equipo probó su potencial de deformación muscular, primero en músculos aislados ex vivo y luego mediante implantación en uno de los principales músculos de la pantorrilla de ratones. El dispositivo no causó signos graves de inflamación y daño tisular y demostró una tensión mecánica en los músculos de aproximadamente el 15%, consistente con su deformación natural durante el ejercicio.

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Para evaluar la eficacia terapéutica, los investigadores utilizaron a continuación un modelo in vivo de atrofia muscular inmovilizando la extremidad trasera de un ratón en un pequeño recinto similar a yeso durante hasta dos semanas después de la implantación del dispositivo MAGENTA. "Si bien los músculos no tratados y los músculos que fueron tratados con el dispositivo pero no estimulados desaparecieron significativamente durante este período, los músculos estimulados activamente mostraron menos pérdida muscular", dijo el autor principal y miembro de Wyss Technology Development, Sungmin Nam, Ph.D. “Nuestro enfoque también podría promover la recuperación de la masa muscular que ya se había perdido durante un período de inmovilización de tres semanas e inducir la activación de vías bioquímicas clave de mecanotransducción conocidas por inducir la síntesis de proteínas y el crecimiento muscular.

Facetas de la mecanoterapia

En un estudio anterior, el grupo de Mooney, en colaboración con el grupo de Conor Walsh, miembro de la Facultad Asociada de Wyss, encontró que la compresión cíclica regulada (en contraposición al estiramiento y la contracción) de los músculos con lesión aguda utilizando otro dispositivo robótico blando reducía la inflamación y permitía la reparación de las fibras musculares en el músculo con lesión aguda. En su nuevo estudio, el equipo de Mooney preguntó si estas fuerzas de compresión también podrían proteger contra la pérdida de masa muscular. Sin embargo, cuando compararon directamente la compresión muscular mediante el dispositivo anterior con el estiramiento y la contracción muscular mediante el dispositivo MAGENTA, solo este último tuvo efectos terapéuticos claros en el modelo de atrofia del ratón. "Existe una buena posibilidad de que diferentes enfoques robóticos blandos, con sus efectos únicos sobre el tejido muscular, puedan abrir vías mecanoterapéuticas específicas de enfermedades o lesiones", dijo Mooney.

Para ampliar aún más las capacidades de MAGENTA, el equipo investigó si el resorte SMA también podría activarse mediante luz láser, algo que no se había demostrado antes y que esencialmente haría que el enfoque fuera inalámbrico y ampliaría su utilidad terapéutica. De hecho, demostraron que un dispositivo MAGENTA implantado sin cables eléctricos podría actuar como un actuador sensible a la luz y deformar el tejido muscular cuando se irradia con luz láser a través de la capa de piel suprayacente. Si bien la activación láser no alcanzó las mismas frecuencias que la activación eléctrica, y el tejido adiposo en particular pareció absorber algo de luz láser, los investigadores creen que la sensibilidad a la luz y el rendimiento demostrados del dispositivo podrían mejorarse aún más. "Las capacidades generales de MAGENTA y el hecho de que su ensamblaje pueda escalarse fácilmente desde milímetros a varios centímetros podrían hacerlo interesante como elemento central de la mecanoterapia futura, no sólo para tratar la atrofia sino quizás también para acelerar la regeneración de la piel, el corazón y otros sitios que podrían beneficiarse de esta forma de mecanotransducción", afirmó Nam.

"El creciente reconocimiento de que las mecanoterapias pueden abordar necesidades críticas insatisfechas en la medicina regenerativa de maneras que las terapias basadas en medicamentos simplemente no pueden ha estimulado una nueva área de investigación que conecta las innovaciones robóticas con la fisiología humana hasta el nivel de las vías de señalización molecular que transmiten otros estímulos mecánicos", dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. "Este estudio realizado por Dave Mooney y su grupo es un ejemplo muy elegante y pionero de cómo este tipo de mecanoterapia podría utilizarse clínicamente en el futuro". Ingber también es profesor Judah Folkman de biología vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston y profesor Hansjörg Wyss de ingeniería bioinspirada en SEAS.

Otros autores del estudio incluyen a Bo Ri Seo, Alexander Najibi y Stephanie McNamara del grupo de Mooney en el Instituto Wyss y SEAS. El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial (número de premio R01DE013349), el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver (número de premio P2CHD086843) y el Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias de la Universidad de Harvard (número de premio DMR14-20570).

Fuente:

Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en Harvard

Referencia:

Nam, S., et al. (2022) El adhesivo tisular activo activa los mecanosensores y previene la pérdida de masa muscular. Materiales naturales. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

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