Mehaaniliselt aktiivne liim hoiab ära ja toetab lihaste atroofiast taastumist

Mehaaniliselt aktiivne liim hoiab ära ja toetab lihaste atroofiast taastumist

Liiga vähesest treeningust tingitud lihaste kurnatus, mis tekib kiiresti kipsis liikumatuks jäänud jäseme murdumisel ja aeglasemalt kõrges eas inimestel. Lihaste atroofia, nagu arstid sellele nähtusele viitavad, on ka kurnav sümptom patsientidel, kes põevad neuroloogilisi haigusi, nagu amüotroofne lateraalskleroos (ALS) ja hulgiskleroos (MS), ning võib olla süsteemne reaktsioon mitmetele teistele haigustele, sealhulgas vähile ja diabeedile.

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

Arvatakse, et mehhanoteraapial, manuaalsel või mehaanilisel raviviisil on lai kudede parandamise potentsiaal. Tuntuim näide on massaaž, mille puhul lihaseid lõdvestatakse survestimulatsiooni abil. Siiski on palju vähem selge, kas lihaste venitamine ja kokkutõmbamine väliste vahenditega võib olla ka ravi. Praeguseks on selliseid uuringuid takistanud kaks peamist väljakutset: piiratud mehaanilised süsteemid, mis on võimelised tekitama venitus- ja kokkutõmbumisjõude ühtlaselt kogu lihaste pikkuses, ning nende mehaaniliste stiimulite ebatõhus kohaletoimetamine lihaskoe pinnale ja sügavamatesse kihtidesse.

Nüüd on Harvardi ülikooli Wyssi bioloogiliselt inspireeritud inseneriinstituudi ja Harvard John A. Paulsoni tehnika- ja rakendusteaduste kooli (SEAS) bioinsenerid välja töötanud mehaaniliselt aktiivse liimi nimega MAGENTA, mis toimib pehme robotseadmena ja lahendab mõlemad need probleemid – voltimisprobleemi. Loommudelis aitas MAGENTA edukalt ära hoida ja soodustada lihaste atroofiast taastumist. Meeskonna tulemused avaldatakse ajakirjas Nature Materials.

Koos MAGENTAga oleme välja töötanud uue integreeritud mitmekomponendilise süsteemi lihaste mehhanostimulatsiooniks, mida saab rakendada otse lihaskoele, et käivitada peamised molekulaarsed signaalirajad kasvu jaoks. Kuigi uuring annab esimese tõendi selle kohta, et väljastpoolt tehtud venitus- ja kokkutõmbumisliigutused võivad loommudelil ära hoida atroofiat, usume, et seadme põhikonstruktsiooni saab laias laastus kohandada erinevate haigusoludega, kus atroofia on suur probleem.

David Mooney, Ph.D., vanemautor ja Wyssi asutajateaduskonna liige

Mooney juhib Wyssi Instituudi immuunmaterjalide platvormi ja on ka SEASi Robert P. Pinkase perekonna bioinseneri professor.

Liim, mis suudab liigutada lihaseid

Üks MAGENTA põhikomponente on konstrueeritud vedru, mis on valmistatud nitinolist, teatud tüüpi metallist, mida tuntakse kui "kujumälu sulamit" (SMA), mis võimaldab MAGENTA teatud temperatuurini kuumutamisel kiiresti aktiveerida. Teadlased aktiveerisid vedru, ühendades selle elektriliselt mikroprotsessoriseadmega, mis suudab programmeerida paisumis- ja kokkutõmbumistsüklite sagedust ja kestust. MAGENTA teisteks komponentideks on elastomeerne maatriks, mis moodustab seadme korpuse ja isoleerib kuumutatud SMA-d, ning "tugev liim", mis võimaldab seadet kindlalt lihaskoe külge kinnitada. Nii joondub seade lihaste loomuliku liikumise teljega ja edastab SMA tekitatud mehaanilise jõu sügavale lihasesse. Mooney grupp arendab MAGENTAt, mis tähistab "mehaaniliselt aktiivset geel-elastomeerist nitinooli kudede liimi", mis on üks paljudest sitketest geelliimidest, mille funktsioonid on kohandatud erinevatele kudede regeneratiivsetele rakendustele.

Pärast MAGENTA seadme väljatöötamist ja kokkupanemist testis meeskond selle lihaseid deformeerivat potentsiaali, esmalt isoleeritud lihastes ex vivo ja seejärel implanteerides hiirte ühte suuremasse vasika lihasesse. Seade ei põhjustanud tõsiseid kudede põletiku ja kahjustuste tunnuseid ning näitas lihaste mehaanilist koormust ligikaudu 15%, mis on kooskõlas nende loomuliku deformatsiooniga treeningu ajal.

Omicsi e-raamat

Eelmise aasta tippintervjuude, artiklite ja uudiste koostamine. Laadige alla tasuta koopia

Terapeutilise efektiivsuse hindamiseks kasutasid teadlased järgmiseks lihaste atroofia in vivo mudelit, immobiliseerides hiire tagajäse tillukeses kipsitaolises korpuses kuni kaheks nädalaks pärast MAGENTA seadme implanteerimist. "Kuigi töötlemata lihased ja lihased, mida seadmega raviti, kuid mida ei stimuleeritud, kadusid selle perioodi jooksul oluliselt, siis aktiivselt stimuleeritud lihased näitasid vähem lihaste kadu," ütles juhtiv autor ja Wyssi tehnoloogiaarenduse stipendiaat Sungmin Nam, Ph.D. "Meie lähenemisviis võib soodustada ka kolmenädalase immobilisatsiooniperioodi jooksul juba kadunud lihasmassi taastumist ja esile kutsuda peamiste biokeemiliste mehaaniliste ülekanderadade aktiveerimist, mis teadaolevalt kutsuvad esile valgusünteesi ja lihaste kasvu.

Mehhanoteraapia tahud

Eelmises uuringus leidis Mooney rühm koostöös Wyssi kaasõppejõu Conor Walshi rühmaga, et ägedalt vigastatud lihaste reguleeritud tsükliline kokkusurumine (erinevalt venitamisest ja kokkutõmbumisest), kasutades teist pehmet robotseadet, vähendas põletikku ja võimaldas parandada lihaskiude ägedalt vigastatud lihases. Oma uues uuringus küsis Mooney meeskond, kas need survejõud võivad kaitsta ka lihaste kadumise eest. Kuid kui nad võrdlesid otseselt lihaste kokkusurumist eelmise seadme abil lihaste venitamise ja kokkutõmbumisega MAGENTA seadme kaudu, oli ainult viimasel hiire atroofia mudelis selge terapeutiline toime. "On suur võimalus, et erinevad pehmed robotipõhised lähenemisviisid, millel on ainulaadne mõju lihaskoele, võivad avada haigus- või vigastusspetsiifilisi mehhanoterapeutilisi teid," ütles Mooney.

MAGENTA võimaluste edasiseks laiendamiseks uuris meeskond, kas SMA vedru saab aktiveerida ka laservalgusega, mida polnud varem näidatud ja mis muudaks lähenemisviisi põhimõtteliselt juhtmevabaks ja laiendaks selle terapeutilist kasulikkust. Tegelikult näitasid nad, et implanteeritud MAGENTA seade ilma elektrijuhtmeteta võib toimida valgustundliku ajamina ja deformeerida lihaskudet, kui seda kiiritatakse laservalgusega läbi ülemise nahakihi. Kuigi laseraktiveerimine ei saavutanud samu sagedusi kui elektriline aktiveerimine ja eriti rasvkude näis neelavat veidi laservalgust, usuvad teadlased, et seadme valgustundlikkust ja jõudlust saab veelgi parandada. "MAGENTA üldised võimalused ja asjaolu, et selle kokkupanekut saab hõlpsasti skaleerida millimeetritest mitme sentimeetrini, võib muuta selle tulevase mehhanoteraapia keskse elemendina huvitavaks mitte ainult atroofia raviks, vaid võib-olla ka naha, südame ja muude piirkondade regeneratsiooni kiirendamiseks, mis võiksid sellest mehhanotransduktsiooni vormist kasu saada," ütles Nam.

"Kasvav arusaam, et mehhanoteraapiad võivad rahuldada kriitilisi rahuldamata vajadusi regeneratiivses meditsiinis viisil, mida ravimipõhised ravimeetodid lihtsalt ei suuda, on stimuleerinud uut uurimisvaldkonda, mis ühendab robotite uuendused inimese füsioloogiaga kuni molekulaarsete signaaliradadeni, mis edastavad muid mehaanilisi stiimuleid," ütles Wyssi asutajadirektor Donald Ingber, MD, Ph.D. "See Dave Mooney ja tema rühma uuring on väga elegantne ja teedrajav näide selle kohta, kuidas seda tüüpi mehhanoteraapiat saaks tulevikus kliiniliselt kasutada." Ingber on ka Harvardi meditsiinikooli ja Bostoni lastehaigla vaskulaarbioloogia professor Judah Folkman ning SEASi bioinspireeritud tehnika professor Hansjörg Wyss.

Uuringu teiste autorite hulka kuuluvad Bo Ri Seo, Alexander Najibi ja Stephanie McNamara Mooney rühmast Wyssi Instituudis ja SEASis. Uuringut rahastasid Riiklik Hambaravi ja Kraniofacial Research Institute (auhinna number R01DE013349), Eunice Kennedy Shriveri riiklik laste tervise ja inimarengu instituut (auhinna number P2CHD086843) ning Harvardi ülikooli riikliku teadusfondi materjaliuuringute teadus- ja tehnikakeskus (auhinna number DMR14-20570).

Allikas:

Wyssi bioloogiliselt inspireeritud tehnikainstituut Harvardis

Viide:

Nam, S. et al. (2022) Aktiivne kudede liim aktiveerib mehhanosensorid ja hoiab ära lihaste kadumise. Looduslikud materjalid. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.