Mekaanisesti aktiivinen liima ehkäisee ja tukee palautumista lihasten surkastumisesta

Mekaanisesti aktiivinen liima ehkäisee ja tukee palautumista lihasten surkastumisesta

Lihasten hukkaaminen liian vähäisestä harjoituksesta, mikä tapahtuu nopeasti kipsissä liikkumattomalla murtuneella raajalla ja hitaammin vanhemmilla ihmisillä. Lihasten surkastuminen, kuten kliinitsijät viittaavat ilmiöön, on myös heikentävä oire potilailla, jotka kärsivät neurologisista sairauksista, kuten amyotrofisesta lateraaliskleroosista (ALS) ja multippeliskleroosista (MS), ja se voi olla systeeminen vaste useille muille sairauksille, mukaan lukien syöpä ja 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

Mekanoterapialla, manuaalisella tai mekaanisella hoitomuodolla, katsotaan olevan laajat mahdollisuudet kudosten korjaamiseen. Tunnetuin esimerkki on hieronta, jossa lihaksia rentoutetaan painestimulaatiolla. On kuitenkin paljon epäselvää, voiko lihasten venyttely ja supistaminen myös ulkoisin keinoin olla hoitoa. Tähän mennessä kaksi suurta haastetta ovat estäneet tällaiset tutkimukset: rajoitetut mekaaniset järjestelmät, jotka pystyvät generoimaan venytys- ja supistumisvoimia tasaisesti pitkin lihasten pituutta, ja näiden mekaanisten ärsykkeiden tehoton toimittaminen lihaskudoksen pintaan ja syvemmille kerroksille.

Nyt bioinsinöörit Harvardin yliopiston Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering -instituutissa ja Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciencesissa (SEAS) ovat kehittäneet mekaanisesti aktiivisen liiman nimeltä MAGENTA, joka toimii pehmeänä robottilaitteena ja ratkaisee molemmat ongelmat - taittoongelman. Eläinmallissa MAGENTA onnistui ehkäisemään ja edistämään lihasatrofiasta toipumista. Ryhmän tulokset on julkaistu Nature Materialsissa.

MAGENTAlla olemme kehittäneet uuden integroidun monikomponenttijärjestelmän lihasten mekanostimulaatioon, jota voidaan soveltaa suoraan lihaskudokseen laukaistakseen tärkeimmät molekyyliset signaalireitit kasvua varten. Vaikka tutkimus tarjoaa ensimmäisen todisteen siitä, että ulkoisesti suoritetut venytys- ja supistumisliikkeet voivat estää surkastumista eläinmallissa, uskomme, että laitteen ydinrakenne voidaan laajasti mukauttaa erilaisiin sairausolosuhteisiin, joissa atrofia on suuri ongelma.

David Mooney, Ph.D., vanhempi kirjailija ja Wyssin perustavan tiedekunnan jäsen

Mooney johtaa Wyss Instituten Immuno-Materials Platformia ja on myös Robert P. Pinkasin perheen biotekniikan professori SEASissa.

Liima, joka voi liikuttaa lihaksia

Yksi MAGENTA:n pääkomponenteista on suunniteltu jousi, joka on valmistettu nitinolista, metallityypistä, joka tunnetaan nimellä "shape memory alloy" (SMA), jonka avulla MAGENTA voi aktivoitua nopeasti kuumennettaessa tiettyyn lämpötilaan. Tutkijat aktivoivat jousen kytkemällä sen sähköisesti mikroprosessoriyksikköön, joka voi ohjelmoida laajenemis- ja supistumisjaksojen taajuuden ja keston. MAGENTA:n muut komponentit ovat elastomeerinen matriisi, joka muodostaa laitteen rungon ja eristää lämmitetyn SMA:n, sekä "kova liima", jonka avulla laite voidaan kiinnittää tiukasti lihaskudokseen. Tällä tavalla laite on kohdistettu lihaksen luonnollisen liikeakselin kanssa ja siirtää SMA:n synnyttämän mekaanisen voiman syvälle lihakseen. Mooney's Group kehittää MAGENTAa, joka tarkoittaa "mekaanisesti aktiivista geelielastomeeri-nitinolikudosliimaa", yhtenä useista kovista geeliliimoista, joiden toiminnallisuudet on räätälöity erilaisiin regeneratiivisiin sovelluksiin useissa kudoksissa.

MAGENTA-laitteen kehittämisen ja kokoamisen jälkeen tiimi testasi sen lihaksia muotoilevaa potentiaalia ensin eristetyissä lihaksissa ex vivo ja sitten implantoimalla yhteen hiirten tärkeimmistä pohkeiden lihaksista. Laite ei aiheuttanut vakavia merkkejä kudostulehduksesta ja -vauriosta ja osoitti lihaksissa noin 15 %:n mekaanista rasitusta, mikä vastaa niiden luonnollista muodonmuutosta harjoituksen aikana.

Omics e-kirja

Kokoelma viime vuoden huippuhaastatteluista, artikkeleista ja uutisista. Lataa ilmainen kopio

Terapeuttisen tehokkuuden arvioimiseksi tutkijat käyttivät seuraavaksi lihasatrofian in vivo -mallia immobilisoimalla hiiren takaraajan pieneen, kipsimäiseen koteloon enintään kahdeksi viikoksi MAGENTA-laitteen implantoinnin jälkeen. "Vaikka käsittelemättömät lihakset ja lihakset, joita käsiteltiin laitteella, mutta joita ei stimuloitu, hävisivät merkittävästi tänä aikana, aktiivisesti stimuloidut lihakset osoittivat vähemmän lihasten menetystä", sanoi tutkimuksen johtava kirjoittaja ja Wyssin teknologian kehittämisen stipendiaatti Sungmin Nam, Ph.D. "Lähestymistapamme voisi myös edistää lihasmassan palautumista, joka oli jo menetetty kolmen viikon immobilisaatiojakson aikana, ja aktivoida tärkeitä biokemiallisia mekaanisia transduktioreittejä, joiden tiedetään indusoivan proteiinisynteesiä ja lihasten kasvua.

Mekanoterapian puolia

Aiemmassa tutkimuksessa Mooneyn ryhmä yhteistyössä Wyss Associate Faculty -jäsenen Conor Walshin ryhmän kanssa havaitsi, että akuutisti loukkaantuneiden lihasten säädelty syklinen puristus (toisin kuin venytys ja supistuminen) toisella pehmeällä robottilaitteella vähensi tulehdusta ja mahdollisti lihassäikeiden korjaamisen akuutisti loukkaantuneessa lihaksessa. Uudessa tutkimuksessaan Mooneyn tiimi kysyi, voisivatko nämä puristusvoimat suojata myös lihasten menetykseltä. Kuitenkin, kun he vertasivat suoraan lihasten puristamista edellisellä laitteella lihasten venyttämiseen ja supistukseen MAGENTA-laitteen avulla, vain jälkimmäisellä oli selkeitä terapeuttisia vaikutuksia hiiren atrofiamallissa. "On hyvä mahdollisuus, että erilaiset pehmeät robottimenetelmät, joilla on ainutlaatuinen vaikutus lihaskudokseen, voivat avata sairaus- tai vammakohtaisia ​​mekanoterapeuttisia polkuja", Mooney sanoi.

Laajentaakseen MAGENTA:n mahdollisuuksia entisestään ryhmä tutki, voitaisiinko SMA-jousi aktivoida myös laservalolla, jota ei ollut aiemmin esitetty ja mikä tekisi lähestymistavan olennaisesti langattomaksi ja laajentaisi sen terapeuttista käyttökelpoisuutta. Itse asiassa he osoittivat, että istutettu MAGENTA-laite ilman sähköjohtoja voisi toimia valoherkänä toimilaitteena ja muuttaa lihaskudosta, kun sitä säteilytetään laservalolla päällä olevan ihokerroksen läpi. Vaikka laseraktivointi ei saavuttanut samoja taajuuksia kuin sähköinen aktivointi, ja erityisesti rasvakudos näytti absorboivan jonkin verran laservaloa, tutkijat uskovat, että laitteen osoitettua valoherkkyyttä ja suorituskykyä voitaisiin edelleen parantaa. "MAGENTA:n yleiset ominaisuudet ja se, että sen kokoonpano voidaan helposti skaalata millimetreistä useisiin senttimetreihin, voisi tehdä siitä mielenkiintoisen tulevaisuuden mekanoterapian keskeisenä elementtinä, ei vain atrofian hoidossa, vaan ehkä myös ihon, sydämen ja muiden paikkojen regeneraation nopeuttamisessa, jotka voisivat hyötyä tästä mekanotransduktion muodosta", Nam sanoi.

"Kasvava ymmärrys siitä, että mekanoterapiat voivat vastata kriittisiin tyydyttämättömiin tarpeisiin regeneratiivisessa lääketieteessä tavoilla, joita lääkepohjaiset hoidot yksinkertaisesti eivät pysty, on stimuloinut uutta tutkimusaluetta, joka yhdistää robottiinnovaatiot ihmisen fysiologiaan aina muita mekaanisia ärsykkeitä välittävien molekyylien signalointireittien tasolle", sanoi Wyssin perustajajohtaja Donald Ingber, MD, Ph.D. "Tämä Dave Mooneyn ja hänen ryhmänsä tutkimus on erittäin tyylikäs ja uraauurtava esimerkki siitä, kuinka tämän tyyppistä mekanoterapiaa voitaisiin käyttää kliinisesti tulevaisuudessa." Ingber on myös Judah Folkmanin vaskulaaribiologian professori Harvard Medical Schoolissa ja Bostonin lastensairaalassa sekä Hansjörg Wyss bioinspired Engineeringin professori SEASissa.

Muita tutkimuksen tekijöitä ovat Bo Ri Seo, Alexander Najibi ja Stephanie McNamara Mooneyn ryhmästä Wyss Institutessa ja SEASissa. Tutkimusta rahoittivat National Institute of Dental and Craniofacial Research (palkintonumero R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (palkintonumero P2CHD086843) ja Harvardin yliopiston National Science Foundationin materiaalitutkimuksen tiede- ja tekniikkakeskus (palkintonumero DMR14-205MR14-205MR).

Lähde:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering Harvardissa

Viite:

Nam, S. et ai. (2022) Aktiivinen kudosliima aktivoi mekanosensorit ja ehkäisee lihasten menetystä. Luonnolliset materiaalit. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.