Mechaniškai aktyvūs klijai apsaugo nuo raumenų atrofijos ir palaiko atsigavimą po jos

Mechaniškai aktyvūs klijai apsaugo nuo raumenų atrofijos ir palaiko atsigavimą po jos

Raumenys nyksta dėl per mažo fizinio krūvio, kaip greitai atsiranda lūžusiai galūnei, imobilizuotai į gipsą, ir lėčiau vyresnio amžiaus žmonėms. Raumenų atrofija, kaip nurodo gydytojai, taip pat yra sekinantis simptomas pacientams, sergantiems neurologinėmis ligomis, tokiomis kaip amiotrofinė šoninė sklerozė (ALS) ir išsėtinė sklerozė (IS), ir gali būti sisteminis atsakas į įvairias kitas ligas, įskaitant vėžį ir diabetą.

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

Manoma, kad mechanoterapija, rankinė arba mechaninė terapijos forma, turi didelį audinių atstatymo potencialą. Žinomiausias pavyzdys yra masažas, kurio metu raumenys atpalaiduojami stimuliuojant spaudimą. Tačiau kur kas mažiau aišku, ar raumenų tempimas ir sutraukimas išorinėmis priemonėmis taip pat gali būti gydymas. Iki šiol tokiems tyrimams sutrukdė du pagrindiniai iššūkiai: ribotos mechaninės sistemos, galinčios tolygiai generuoti tempimo ir susitraukimo jėgas per visą raumenų ilgį, ir neefektyvus šių mechaninių dirgiklių tiekimas į paviršių ir gilesnius raumenų audinio sluoksnius.

Dabar Harvardo universiteto Wyss biologiškai įkvėptos inžinerijos instituto ir Harvardo Johno A. Paulsono inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos (SEAS) bioinžinieriai sukūrė mechaniškai aktyvius klijus, vadinamus MAGENTA, kurie veikia kaip minkštas robotas ir išsprendžia abi šias problemas – lankstymo problemą. Gyvūnų modelyje MAGENTA sėkmingai užkirto kelią raumenų atrofijai ir paskatino jos atsigavimą. Komandos rezultatai skelbiami Nature Materials.

Su MAGENTA sukūrėme naują integruotą kelių komponentų sistemą, skirtą raumenų mechanostimuliacijai, kurią galima tiesiogiai pritaikyti raumeniniam audiniui, kad suaktyvintų pagrindinius molekulinius augimo signalus. Nors tyrimas yra pirmasis koncepcijos įrodymas, kad iš išorės atliekami tempimo ir susitraukimo judesiai gali užkirsti kelią atrofijai gyvūno modelyje, manome, kad pagrindinį prietaiso dizainą galima plačiai pritaikyti įvairioms ligos aplinkybėms, kuriose atrofija yra pagrindinė problema.

David Mooney, Ph.D., vyresnysis autorius ir Wyss steigiamojo pagrindinio fakulteto narys

Mooney vadovauja Wyss instituto imuninių medžiagų platformai, taip pat yra Roberto P. Pinko šeimos bioinžinerijos profesorius SEAS.

Klijai, galintys judinti raumenis

Vienas iš pagrindinių MAGENTA komponentų yra sukonstruota spyruoklė, pagaminta iš nitinolio, metalo, žinomo kaip "formos atminties lydinys" (SMA), kuris leidžia greitai suaktyvinti MAGENTA, kai ji įkaista iki tam tikros temperatūros. Tyrėjai suaktyvino spyruoklę elektra prijungdami ją prie mikroprocesoriaus bloko, kuris gali užprogramuoti išsiplėtimo ir susitraukimo ciklų dažnį ir trukmę. Kiti MAGENTA komponentai – elastomerinė matrica, formuojanti įrenginio korpusą ir izoliuojanti įkaitusią SMA, bei „kieti klijai“, leidžiantys prietaisą tvirtai pritvirtinti prie raumenų audinio. Tokiu būdu prietaisas sulygiuotas su natūralia raumenų judėjimo ašimi ir perduoda SMA generuojamą mechaninę jėgą gilyn į raumenį. Mooney grupė kuria MAGENTA, kuri reiškia „mechaniškai aktyvius gelio elastomero nitinolio audinių klijus“, kaip vieną iš kelių tvirtų gelio klijų, kurių funkcijos pritaikytos įvairiems regeneraciniams tikslams keliuose audiniuose.

Sukūrusi ir surinkusi MAGENTA prietaisą, komanda išbandė jo raumenis deformuojantį potencialą, pirmiausia izoliuotuose raumenyse ex vivo, o paskui implantuodama į vieną iš pagrindinių pelių blauzdos raumenų. Prietaisas nesukėlė rimtų audinių uždegimo ir pažeidimo požymių ir parodė maždaug 15% mechaninį raumenų įtempimą, atitinkantį natūralią jų deformaciją fizinio krūvio metu.

Omics e-knyga

Populiariausių praėjusių metų interviu, straipsnių ir naujienų rinkinys. Atsisiųsti nemokamą kopiją

Norėdami įvertinti terapinį efektyvumą, mokslininkai panaudojo in vivo raumenų atrofijos modelį, imobilizuodami pelės užpakalinę galūnę mažame, gipso pavidalo gaubte iki dviejų savaičių po MAGENTA prietaiso implantavimo. „Nors neapdoroti raumenys ir raumenys, kurie buvo gydomi prietaisu, bet nebuvo stimuliuojami, per šį laikotarpį žymiai išnyko, aktyviai stimuliuojami raumenys sumažėjo mažiau“, - sakė pagrindinis autorius ir Wyss technologijų plėtros bendradarbis, mokslų daktaras Sungminas Namas. „Mūsų požiūris taip pat galėtų paskatinti raumenų masės, kuri jau buvo prarasta per trijų savaičių imobilizacijos laikotarpį, atkūrimą ir paskatinti pagrindinių biocheminių mechanotransdukcijos būdų, kurie, kaip žinoma, skatina baltymų sintezę ir raumenų augimą, aktyvavimą.

Mechanoterapijos aspektai

Ankstesniame tyrime Mooney grupė, bendradarbiaudama su Conor Walsh, Wyss asocijuotojo fakulteto nario grupe, nustatė, kad reguliuojamas ciklinis ūmiai sužalotų raumenų suspaudimas (priešingai nei tempimas ir susitraukimas), naudojant kitą minkštą robotizuotą įrenginį, sumažino uždegimą ir leido atkurti ūmiai sužaloto raumens raumenų skaidulas. Savo naujame tyrime Mooney komanda paklausė, ar šios suspaudimo jėgos taip pat gali apsaugoti nuo raumenų praradimo. Tačiau, kai jie tiesiogiai palygino raumenų suspaudimą naudojant ankstesnį įrenginį su raumenų tempimu ir susitraukimu naudojant MAGENTA įrenginį, tik pastarasis turėjo aiškų terapinį poveikį pelės atrofijos modelyje. "Yra didelė tikimybė, kad skirtingi minkštieji robotų metodai, turintys unikalų poveikį raumenų audiniams, gali atverti ligai ar sužalojimui būdingus mechanoterapinius kelius", - sakė Mooney.

Siekdama dar labiau išplėsti MAGENTA galimybes, komanda ištyrė, ar SMA spyruoklę taip pat galima suaktyvinti lazerio šviesa, kuri anksčiau nebuvo parodyta ir iš esmės paverstų metodą belaidžiu ir padidintų jo terapinį naudingumą. Tiesą sakant, jie parodė, kad implantuotas MAGENTA prietaisas be elektros laidų gali veikti kaip šviesai jautri pavara ir deformuoti raumenų audinį, kai apšvitinamas lazerio šviesa per viršutinį odos sluoksnį. Nors lazerio aktyvinimas nepasiekė tų pačių dažnių kaip elektrinis aktyvinimas, o riebalinis audinys ypač sugeria dalį lazerio šviesos, mokslininkai mano, kad prietaiso jautrumas šviesai ir veikimas galėtų būti dar labiau patobulinti. „Bendrosios MAGENTA galimybės ir tai, kad jos surinkimas gali būti lengvai keičiamas nuo milimetrų iki kelių centimetrų, gali padaryti jį įdomiu kaip pagrindiniu būsimos mechanoterapijos elementu ne tik gydant atrofiją, bet galbūt ir siekiant pagreitinti odos, širdies ir kitų vietų regeneraciją, kuri galėtų būti naudinga tokia mechanotransdukcijos forma“, – sakė Namas.

„Vis didėjantis pripažinimas, kad mechanoterapija gali patenkinti nepatenkintus regeneracinės medicinos poreikius taip, kaip vaistais pagrįsta terapija tiesiog negali, paskatino naują mokslinių tyrimų sritį, jungiančią robotų naujoves su žmogaus fiziologija iki molekulinių signalų perdavimo būdų, perduodančių kitus mechaninius dirgiklius“, – sakė Wyss įkūrėjas Donaldas Ingberis, MD, Ph.D. "Šis Dave'o Mooney'io ir jo grupės tyrimas yra labai elegantiškas ir novatoriškas pavyzdys, kaip tokio tipo mechanoterapiją būtų galima naudoti kliniškai ateityje." Ingberis taip pat yra Judah Folkman kraujagyslių biologijos profesorius Harvardo medicinos mokykloje ir Bostono vaikų ligoninėje bei Hansjörg Wyss bioinspired inžinerijos profesorius SEAS.

Kiti tyrimo autoriai yra Bo Ri Seo, Alexanderis Najibi ir Stephanie McNamara iš Mooney grupės Wyss institute ir SEAS. Tyrimą finansavo Nacionalinis dantų ir kaukolės veido tyrimų institutas (apdovanojimo numeris R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver nacionalinis vaikų sveikatos ir žmogaus raidos institutas (apdovanojimo numeris P2CHD086843) ir Harvardo universiteto Nacionalinio mokslo fondo Medžiagų tyrimų mokslo ir inžinerijos centras (apdovanojimo numeris DMR14-20570).

Šaltinis:

Wyss Biologiškai įkvėptos inžinerijos institutas Harvarde

Nuoroda:

Nam, S. ir kt. (2022) Aktyvūs audinių klijai suaktyvina mechaninius jutiklius ir apsaugo nuo raumenų praradimo. Natūralios medžiagos. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.