L'adhésif mécaniquement actif prévient et favorise la récupération après une atrophie musculaire

L'adhésif mécaniquement actif prévient et favorise la récupération après une atrophie musculaire

Une fonte musculaire due à un manque d'exercice, comme cela se produit rapidement dans le cas d'un membre cassé immobilisé dans un plâtre, et plus lentement chez les personnes d'un âge avancé. L'atrophie musculaire, comme les cliniciens appellent ce phénomène, est également un symptôme débilitant chez les patients souffrant de maladies neurologiques telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la sclérose en plaques (SEP), et peut être une réponse systémique à diverses autres maladies, notamment le cancer et le diabète.

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

La mécanothérapie, une forme de thérapie manuelle ou mécanique, est considérée comme ayant un large potentiel de réparation tissulaire. L’exemple le plus connu est le massage, dans lequel les muscles sont détendus grâce à une stimulation par pression. Cependant, il est beaucoup moins clair si l’étirement et la contraction musculaire par des moyens externes peuvent également constituer un traitement. À ce jour, deux défis majeurs ont empêché de telles études : des systèmes mécaniques limités capables de générer des forces d’étirement et de contraction uniformément sur toute la longueur des muscles, et une transmission inefficace de ces stimuli mécaniques à la surface et aux couches plus profondes du tissu musculaire.

Aujourd'hui, des bio-ingénieurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard et de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un adhésif mécaniquement actif appelé MAGENTA qui agit comme un dispositif robotique souple et résout ces deux problèmes : le problème du pliage. Dans un modèle animal, MAGENTA a réussi à prévenir et à favoriser la récupération après une atrophie musculaire. Les résultats de l'équipe sont publiés dans Nature Materials.

Avec MAGENTA, nous avons développé un nouveau système intégré multi-composants pour la mécanostimulation musculaire qui peut être appliqué directement sur le tissu musculaire pour déclencher les voies de signalisation moléculaire clés pour la croissance. Bien que l’étude fournisse la première preuve de concept selon laquelle les mouvements d’étirement et de contraction délivrés de manière externe peuvent prévenir l’atrophie dans un modèle animal, nous pensons que la conception de base du dispositif peut être largement adaptée à divers contextes pathologiques où l’atrophie constitue un problème majeur.

David Mooney, Ph.D., auteur principal et membre de la faculté fondatrice de Wyss

Mooney dirige la plateforme immuno-matériaux du Wyss Institute et est également professeur de bioingénierie de la famille Robert P. Pinkas à SEAS.

Un adhésif qui peut bouger les muscles

L'un des principaux composants de MAGENTA est un ressort technique fabriqué à partir de Nitinol, un type de métal connu sous le nom d'« alliage à mémoire de forme » (SMA), qui permet à MAGENTA d'être activé rapidement lorsqu'il est chauffé à une certaine température. Les chercheurs ont activé le ressort en le connectant électriquement à un microprocesseur capable de programmer la fréquence et la durée des cycles d'expansion et de contraction. Les autres composants de MAGENTA sont une matrice élastomère qui forme le corps du dispositif et isole le SMA chauffé, ainsi qu'un « adhésif résistant » qui permet au dispositif d'être fermement fixé au tissu musculaire. De cette manière, l’appareil s’aligne sur l’axe naturel du mouvement musculaire et transmet la force mécanique générée par le SMA en profondeur dans le muscle. Le groupe de Mooney développe MAGENTA, qui signifie « adhésif tissulaire en élastomère nitinol en gel mécaniquement actif », comme l'un des nombreux adhésifs en gel résistants dotés de fonctionnalités adaptées à diverses applications régénératives dans plusieurs tissus.

Après avoir développé et assemblé le dispositif MAGENTA, l’équipe a testé son potentiel de déformation musculaire, d’abord dans des muscles isolés ex vivo puis par implantation dans l’un des principaux muscles du mollet de souris. L'appareil n'a pas provoqué de signes graves d'inflammation ni de lésions tissulaires et a démontré une contrainte mécanique sur les muscles d'environ 15 %, ce qui correspond à leur déformation naturelle pendant l'exercice.

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Pour évaluer l'efficacité thérapeutique, les chercheurs ont ensuite utilisé un modèle in vivo d'atrophie musculaire en immobilisant le membre postérieur d'une souris dans une minuscule enceinte semblable à du plâtre jusqu'à deux semaines après l'implantation du dispositif MAGENTA. "Alors que les muscles non traités et les muscles traités avec l'appareil mais non stimulés ont disparu de manière significative au cours de cette période, les muscles activement stimulés ont montré moins de perte musculaire", a déclaré l'auteur principal et chercheur en développement technologique de Wyss, Sungmin Nam, Ph.D. « Notre approche pourrait également favoriser la récupération de la masse musculaire déjà perdue au cours d’une période d’immobilisation de trois semaines et induire l’activation de voies biochimiques clés de mécanotransduction connues pour induire la synthèse protéique et la croissance musculaire.

Facettes de la mécanothérapie

Dans une étude précédente, le groupe de Mooney, en collaboration avec le groupe de Conor Walsh, membre du corps professoral associé de Wyss, a découvert que la compression cyclique régulée (par opposition à l'étirement et à la contraction) des muscles gravement blessés à l'aide d'un autre dispositif robotique mou réduisait l'inflammation et permettait la réparation des fibres musculaires dans le muscle gravement blessé. Dans leur nouvelle étude, l'équipe de Mooney a demandé si ces forces de compression pouvaient également protéger contre la perte musculaire. Cependant, lorsqu’ils ont directement comparé la compression musculaire via le dispositif précédent avec l’étirement et la contraction musculaire via le dispositif MAGENTA, seul ce dernier a eu des effets thérapeutiques clairs dans le modèle d’atrophie de la souris. "Il y a de fortes chances que différentes approches robotiques douces, avec leurs effets uniques sur les tissus musculaires, puissent ouvrir des voies mécanothérapeutiques spécifiques à des maladies ou à des blessures", a déclaré Mooney.

Pour étendre davantage les capacités de MAGENTA, l'équipe a étudié si le ressort SMA pouvait également être activé par la lumière laser, ce qui n'avait pas encore été démontré et rendrait essentiellement l'approche sans fil et élargirait son utilité thérapeutique. En fait, ils ont montré qu’un dispositif MAGENTA implanté sans fils électriques pouvait agir comme un actionneur sensible à la lumière et déformer le tissu musculaire lorsqu’il était irradié par une lumière laser à travers la couche cutanée sus-jacente. Bien que l'activation laser n'atteigne pas les mêmes fréquences que l'activation électrique et que les tissus adipeux en particulier semblent absorber une partie de la lumière laser, les chercheurs pensent que la sensibilité à la lumière et les performances démontrées de l'appareil pourraient être encore améliorées. "Les capacités générales de MAGENTA et le fait que son assemblage peut être facilement dimensionné de quelques millimètres à plusieurs centimètres pourraient le rendre intéressant en tant qu'élément central de la future mécanothérapie, non seulement pour traiter l'atrophie mais peut-être aussi pour accélérer la régénération de la peau, du cœur et d'autres sites qui pourraient bénéficier de cette forme de mécanotransduction", a déclaré Nam.

"La reconnaissance croissante du fait que les mécanothérapies peuvent répondre aux besoins critiques non satisfaits en médecine régénérative d'une manière que les thérapies médicamenteuses ne peuvent tout simplement pas avoir stimulé un nouveau domaine de recherche qui relie les innovations robotiques à la physiologie humaine jusqu'au niveau des voies de signalisation moléculaire qui transmettent d'autres stimuli mécaniques", a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. "Cette étude réalisée par Dave Mooney et son groupe est un exemple très élégant et pionnier de la manière dont ce type de mécanothérapie pourrait être utilisé en clinique à l'avenir." Ingber est également professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children's Hospital et professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie bioinspirée à SEAS.

Parmi les autres auteurs de l'étude figurent Bo Ri Seo, Alexander Najibi et Stephanie McNamara du groupe Mooney du Wyss Institute et de SEAS. L’étude a été financée par l’Institut national de recherche dentaire et craniofaciale (numéro de récompense R01DE013349), l’Institut national Eunice Kennedy Shriver de la santé infantile et du développement humain (numéro de récompense P2CHD086843) et le Centre de recherche sur les sciences et l’ingénierie des matériaux de la National Science Foundation de l’Université Harvard (numéro de récompense DMR14-20570).

Source:

Institut Wyss pour l'ingénierie d'inspiration biologique à Harvard

Référence:

Nam, S., et al. (2022) L’adhésif tissulaire actif active les mécanocapteurs et prévient la perte musculaire. Matériaux naturels. est ce que je.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

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