Mehanički aktivno ljepilo sprječava i podupire oporavak nakon atrofije mišića

Mehanički aktivno ljepilo sprječava i podupire oporavak nakon atrofije mišića

Propadanje mišića zbog premalo vježbanja, kao što se događa brzo kod slomljenog uda imobiliziranog u gipsu, a sporije kod osoba starije dobi. Mišićna atrofija, kako kliničari nazivaju taj fenomen, također je iscrpljujući simptom kod pacijenata koji pate od neuroloških bolesti kao što su amiotrofična lateralna skleroza (ALS) i multipla skleroza (MS), a može biti i sistemski odgovor na razne druge bolesti, uključujući rak i dijabetes.

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

Smatra se da mehanoterapija, ručni ili mehanički oblik terapije, ima veliki potencijal za popravak tkiva. Najpoznatiji primjer je masaža, pri kojoj se mišići opuštaju stimulacijom pritiska. Međutim, mnogo je manje jasno može li istezanje i stezanje mišića vanjskim sredstvima također biti tretman. Do danas su dva glavna izazova spriječila takva istraživanja: ograničeni mehanički sustavi sposobni generirati sile istezanja i kontrakcije ravnomjerno duž duljine mišića i neučinkovita isporuka tih mehaničkih podražaja na površinu i dublje slojeve mišićnog tkiva.

Sada su bioinženjeri na Wyss institutu za biološki nadahnuto inženjerstvo na Sveučilištu Harvard i Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) razvili mehanički aktivno ljepilo pod nazivom MAGENTA koje djeluje kao mekani robotski uređaj i rješava oba ova problema - problem savijanja. U životinjskom modelu, MAGENTA je uspješno spriječila i pospješila oporavak od atrofije mišića. Rezultati tima objavljeni su u časopisu Nature Materials.

S MAGENTOM smo razvili novi integrirani višekomponentni sustav za mehanostimulaciju mišića koji se može primijeniti izravno na mišićno tkivo kako bi se pokrenuli ključni molekularni signalni putovi za rast. Dok studija pruža prvi dokaz koncepta da vanjski pokreti istezanja i kontrakcije mogu spriječiti atrofiju u životinjskom modelu, vjerujemo da se osnovni dizajn uređaja može široko prilagoditi različitim uvjetima bolesti gdje je atrofija veliki problem.

David Mooney, Ph.D., viši autor i član Wyss Founding Core Faculty

Mooney vodi Platformu za imunološke materijale Instituta Wyss i također je profesor bioinženjeringa obitelji Roberta P. Pinkasa na SEAS-u.

Ljepilo koje može pomicati mišiće

Jedna od glavnih komponenti MAGENTE je konstruirana opruga izrađena od Nitinola, vrste metala poznate kao "legura s pamćenjem oblika" (SMA), koja omogućuje MAGENTI da se brzo aktivira kada se zagrije na određenu temperaturu. Istraživači su aktivirali oprugu električnim povezivanjem s mikroprocesorskom jedinicom koja može programirati učestalost i trajanje ciklusa širenja i skupljanja. Druge komponente MAGENTA-e su elastomerna matrica koja tvori tijelo uređaja i izolira zagrijani SMA, te "čvrsto ljepilo" koje omogućuje čvrsto pričvršćivanje uređaja na mišićno tkivo. Na taj način uređaj je usklađen s prirodnom osi pokreta mišića i prenosi mehaničku silu koju stvara SMA duboko u mišić. Mooney's grupa razvija MAGENTA, što je skraćenica za "mehanički aktivno gel elastomer nitinol tkivno ljepilo", kao jedno od nekoliko čvrstih gel ljepila s funkcionalnostima prilagođenim različitim regenerativnim primjenama u više tkiva.

Nakon razvoja i sastavljanja uređaja MAGENTA, tim je testirao njegov potencijal deformiranja mišića, prvo u izoliranim mišićima ex vivo, a zatim implantacijom u jedan od glavnih mišića potkoljenice miševa. Uređaj nije izazvao ozbiljne znakove upale i oštećenja tkiva i pokazao je mehanički stres na mišiće od približno 15%, što je u skladu s njihovom prirodnom deformacijom tijekom vježbanja.

Omics e-knjiga

Kompilacija najboljih intervjua, članaka i vijesti iz prošle godine. Preuzmite besplatnu kopiju

Kako bi procijenili terapeutsku učinkovitost, istraživači su zatim upotrijebili in vivo model mišićne atrofije imobilizacijom stražnjeg uda miša u malom, gipsanom kućištu do dva tjedna nakon implantacije MAGENTA uređaja. "Dok su netretirani mišići i mišići koji su tretirani uređajem, ali nisu stimulirani značajno nestali tijekom tog razdoblja, aktivno stimulirani mišići pokazali su manji gubitak mišića", rekao je glavni autor i suradnik Wyss Technology Development-a Sungmin Nam, Ph.D. “Naš pristup bi također mogao promovirati oporavak mišićne mase koja je već bila izgubljena tijekom trotjednog perioda imobilizacije i potaknuti aktivaciju ključnih biokemijskih mehanotransdukcijskih putova za koje se zna da induciraju sintezu proteina i rast mišića.

Aspekti mehanoterapije

U prethodnoj studiji, Mooneyjeva grupa, u suradnji sa grupom Conora Walsha, člana Wyss Associate Faculty, otkrila je da regulirana ciklička kompresija (za razliku od istezanja i kontrakcije) akutno ozlijeđenih mišića pomoću drugog mekog robotskog uređaja smanjuje upalu i omogućuje popravak mišićnih vlakana u akutno ozlijeđenom mišiću. U svojoj novoj studiji, Mooneyjev tim pitao je mogu li ove sile pritiska također zaštititi od gubitka mišića. Međutim, kada su izravno usporedili kompresiju mišića putem prethodnog uređaja s istezanjem i kontrakcijom mišića putem uređaja MAGENTA, samo je potonji imao jasne terapeutske učinke u modelu mišje atrofije. "Postoji dobra šansa da bi različiti meki robotski pristupi, sa svojim jedinstvenim učincima na mišićno tkivo, mogli otvoriti mehanoterapijske putove specifične za bolest ili ozljedu", rekao je Mooney.

Kako bi dodatno proširio mogućnosti MAGENTA-e, tim je istražio može li se SMA opruga također aktivirati laserskim svjetlom, što prije nije pokazano i koje bi u biti učinilo pristup bežičnim i proširilo njegovu terapeutsku korisnost. Zapravo, pokazali su da implantirani MAGENTA uređaj bez električnih žica može djelovati kao pokretač osjetljiv na svjetlost i deformirati mišićno tkivo kada se ozrači laserskim svjetlom kroz gornji sloj kože. Dok laserska aktivacija nije dosegla iste frekvencije kao električna aktivacija, a posebno se činilo da masno tkivo apsorbira nešto laserske svjetlosti, istraživači vjeruju da se pokazana svjetlosna osjetljivost i performanse uređaja mogu dodatno poboljšati. "Opće mogućnosti MAGENTE i činjenica da se njezin sklop može lako skalirati od milimetara do nekoliko centimetara mogle bi je učiniti zanimljivom kao središnjim elementom buduće mehanoterapije, ne samo za liječenje atrofije, već možda i za ubrzavanje regeneracije kože, srca i drugih mjesta koja bi mogla imati koristi od ovog oblika mehanotransdukcije", rekao je Nam.

“Rastuća spoznaja da mehanoterapije mogu odgovoriti na kritične nezadovoljene potrebe u regenerativnoj medicini na načine na koje terapije temeljene na lijekovima jednostavno ne mogu potaknulo je novo područje istraživanja koje povezuje robotske inovacije s ljudskom fiziologijom sve do razine molekularnih signalnih putova koji prenose druge mehaničke podražaje,” rekao je direktor osnivača Wyssa Donald Ingber, MD, Ph.D. "Ova studija Davea Mooneya i njegove skupine vrlo je elegantan i pionirski primjer kako bi se ova vrsta mehanoterapije mogla klinički koristiti u budućnosti." Ingber je također Judah Folkman profesor vaskularne biologije na Harvard Medical School i Boston Children's Hospital te Hansjörg Wyss profesor bioinspiriranog inženjerstva na SEAS-u.

Ostali autori studije su Bo Ri Seo, Alexander Najibi i Stephanie McNamara iz Mooneyjeve grupe na Wyss Institute i SEAS. Studiju su financirali Nacionalni institut za dentalna i kraniofacijalna istraživanja (broj nagrade R01DE013349), Nacionalni institut za dječje zdravlje i ljudski razvoj Eunice Kennedy Shriver (broj nagrade P2CHD086843) i Centar za istraživanje materijala i inženjerstvo Nacionalne znanstvene zaklade na Sveučilištu Harvard (broj nagrade DMR14-20570).

Izvor:

Wyss institut za biološki inspiriran inženjering na Harvardu

Referenca:

Nam, S. i sur. (2022) Aktivno ljepilo za tkivo aktivira mehanosenzore i sprječava gubitak mišića. Prirodni materijali. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.