L'adesivo meccanicamente attivo previene e supporta il recupero dall'atrofia muscolare

L'adesivo meccanicamente attivo previene e supporta il recupero dall'atrofia muscolare

Atrofia muscolare dovuta a troppo poco esercizio fisico, come avviene rapidamente in un arto rotto immobilizzato in un gesso e più lentamente nelle persone di età avanzata. L’atrofia muscolare, come i medici chiamano il fenomeno, è anche un sintomo debilitante nei pazienti affetti da malattie neurologiche come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e la sclerosi multipla (SM) e può essere una risposta sistemica a varie altre malattie, tra cui il cancro e il diabete.

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

Si ritiene che la meccanoterapia, una forma di terapia manuale o meccanica, abbia un ampio potenziale per la riparazione dei tessuti. L'esempio più noto è il massaggio, in cui i muscoli vengono rilassati attraverso la stimolazione della pressione. Tuttavia, è molto meno chiaro se anche lo stretching e la contrazione dei muscoli con mezzi esterni possano costituire un trattamento. Ad oggi, due grandi sfide hanno impedito tali studi: sistemi meccanici limitati in grado di generare forze di allungamento e contrazione in modo uniforme lungo la lunghezza dei muscoli, e la consegna inefficiente di questi stimoli meccanici agli strati superficiali e più profondi del tessuto muscolare.

Ora, i bioingegneri del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard e della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un adesivo meccanicamente attivo chiamato MAGENTA che agisce come un dispositivo robotico morbido e risolve entrambi questi problemi: il problema della piegatura. In un modello animale, MAGENTA ha prevenuto e promosso con successo il recupero dall’atrofia muscolare. I risultati del team sono pubblicati su Nature Materials.

Con MAGENTA abbiamo sviluppato un nuovo sistema multicomponente integrato per la meccanostimolazione muscolare che può essere applicato direttamente al tessuto muscolare per attivare percorsi di segnalazione molecolare chiave per la crescita. Sebbene lo studio fornisca la prima prova del concetto che i movimenti di allungamento e contrazione erogati esternamente possono prevenire l’atrofia in un modello animale, riteniamo che il design principale del dispositivo possa essere ampiamente adattato a vari contesti patologici in cui l’atrofia è un grave problema”.

David Mooney, Ph.D., autore senior e membro della Wyss Founding Core Faculty

Mooney è a capo della piattaforma immuno-materiali del Wyss Institute ed è anche Robert P. Pinkas Family Professor di Bioingegneria presso la SEAS.

Un adesivo che può muovere i muscoli

Uno dei componenti principali di MAGENTA è una molla ingegnerizzata realizzata in Nitinol, un tipo di metallo noto come "lega a memoria di forma" (SMA), che consente a MAGENTA di attivarsi rapidamente quando riscaldato a una determinata temperatura. I ricercatori hanno attivato la molla collegandola elettricamente a un'unità a microprocessore in grado di programmare la frequenza e la durata dei cicli di espansione e contrazione. Gli altri componenti di MAGENTA sono una matrice elastomerica che forma il corpo del dispositivo e isola la SMA riscaldata, e un "adesivo tenace" che consente di fissare saldamente il dispositivo al tessuto muscolare. In questo modo il dispositivo si allinea con l’asse naturale del movimento muscolare e trasmette la forza meccanica generata dalla SMA in profondità nel muscolo. Il gruppo di Mooney sta sviluppando MAGENTA, che sta per "adesivo tissutale in gel elastomero nitinol meccanicamente attivo", come uno dei numerosi adesivi gel resistenti con funzionalità su misura per varie applicazioni rigenerative in più tessuti.

Dopo aver sviluppato e assemblato il dispositivo MAGENTA, il team ha testato il suo potenziale di deformazione muscolare, prima in muscoli isolati ex vivo e poi mediante impianto in uno dei principali muscoli del polpaccio dei topi. Il dispositivo non ha causato gravi segni di infiammazione e danno ai tessuti e ha dimostrato uno stress meccanico sui muscoli di circa il 15%, coerente con la loro naturale deformazione durante l'esercizio.

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Per valutare l'efficacia terapeutica, i ricercatori hanno poi utilizzato un modello in vivo di atrofia muscolare immobilizzando l'arto posteriore di un topo in un minuscolo involucro simile a un gesso per un massimo di due settimane dopo l'impianto del dispositivo MAGENTA. "Mentre i muscoli non trattati e quelli trattati con il dispositivo ma non stimolati sono scomparsi in modo significativo durante questo periodo, i muscoli stimolati attivamente hanno mostrato una minore perdita muscolare", ha affermato l'autore principale e membro dello sviluppo tecnologico Wyss Sungmin Nam, Ph.D. “Il nostro approccio potrebbe anche promuovere il recupero della massa muscolare che era già stata persa in un periodo di immobilizzazione di tre settimane e indurre l’attivazione di percorsi biochimici chiave di meccanotrasduzione noti per indurre la sintesi proteica e la crescita muscolare.

Aspetti della meccanoterapia

In uno studio precedente, il gruppo di Mooney, in collaborazione con il gruppo di Conor Walsh, membro della Wyss Associate Faculty, ha scoperto che la compressione ciclica regolata (in contrapposizione all'allungamento e alla contrazione) dei muscoli gravemente feriti utilizzando un altro dispositivo robotico morbido riduceva l'infiammazione e consentiva la riparazione delle fibre muscolari nel muscolo gravemente ferito. Nel loro nuovo studio, il team di Mooney si è chiesto se queste forze di compressione potessero anche proteggere dalla perdita muscolare. Tuttavia, quando hanno confrontato direttamente la compressione muscolare tramite il dispositivo precedente con l’allungamento e la contrazione muscolare tramite il dispositivo MAGENTA, solo quest’ultimo ha avuto chiari effetti terapeutici nel modello di atrofia del topo. "Ci sono buone probabilità che diversi approcci robotici morbidi, con i loro effetti unici sul tessuto muscolare, possano aprire percorsi meccanoterapeutici specifici per malattie o lesioni", ha affermato Mooney.

Per espandere ulteriormente le capacità di MAGENTA, il team ha studiato se la molla SMA potesse essere attivata anche dalla luce laser, cosa mai vista prima e che renderebbe l'approccio wireless e ne amplierebbe l'utilità terapeutica. Infatti, hanno dimostrato che un dispositivo MAGENTA impiantato senza fili elettrici potrebbe agire come un attuatore sensibile alla luce e deformare il tessuto muscolare quando irradiato con luce laser attraverso lo strato cutaneo sovrastante. Sebbene l'attivazione laser non raggiungesse le stesse frequenze dell'attivazione elettrica e il tessuto adiposo in particolare sembrasse assorbire parte della luce laser, i ricercatori ritengono che la sensibilità alla luce e le prestazioni dimostrate del dispositivo potrebbero essere ulteriormente migliorate. "Le capacità generali di MAGENTA e il fatto che il suo assemblaggio possa essere facilmente scalato da millimetri a diversi centimetri potrebbero renderlo interessante come elemento centrale della futura meccanoterapia, non solo per il trattamento dell'atrofia ma forse anche per accelerare la rigenerazione nella pelle, nel cuore e in altri siti che potrebbero trarre beneficio da questa forma di meccanotrasduzione", ha detto Nam.

"Il crescente riconoscimento che le meccanoterapie possono affrontare bisogni critici insoddisfatti nella medicina rigenerativa in modi che le terapie basate sui farmaci semplicemente non possono, ha stimolato una nuova area di ricerca che collega le innovazioni robotiche alla fisiologia umana fino al livello delle vie di segnalazione molecolare che trasmettono altri stimoli meccanici", ha affermato il direttore fondatore di Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. “Questo studio di Dave Mooney e del suo gruppo è un esempio molto elegante e pionieristico di come questo tipo di meccanoterapia potrebbe essere utilizzato clinicamente in futuro”. Ingber è inoltre Judah-Folkman-professore di biologia genetica alla Harvard Medical School e al Boston Children's Hospital, nonché Hansjörg Wyss-professore di tecnologia bioinspirita al SEAS.

Altri autori dello studio includono Bo Ri Seo, Alexander Najibi e Stephanie McNamara del gruppo di Mooney presso il Wyss Institute e SEAS. Lo studio è stato finanziato dal National Institute of Dental and Craniofacial Research (numero di premio R01DE013349), dall'Istituto nazionale Eunice Kennedy Shriver per la salute infantile e lo sviluppo umano (numero di premio P2CHD086843) e dal Centro di scienza e ingegneria della ricerca sui materiali della National Science Foundation presso l'Università di Harvard (numero di premio DMR14-20570).

Fonte:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ad Harvard

Riferimento:

Nam, S., et al. (2022) L'adesivo tissutale attivo attiva i meccanosensori e previene la perdita muscolare. Materiali naturali. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

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