Mehāniski aktīvā līmjava novērš un atbalsta atveseļošanos pēc muskuļu atrofijas

Mehāniski aktīvā līmjava novērš un atbalsta atveseļošanos pēc muskuļu atrofijas

Muskuļu novājēšana no pārāk mazas fiziskās slodzes, kas ātri rodas lauztai ekstremitātei, kas ir imobilizēta ģipsi, un lēnāk cilvēkiem gados. Muskuļu atrofija, kā norāda ārsti, ir arī novājinošs simptoms pacientiem, kuri cieš no tādām neiroloģiskām slimībām kā amiotrofiskā laterālā skleroze (ALS) un multiplā skleroze (MS), un tā var būt sistēmiska reakcija uz dažādām citām slimībām, tostarp vēzi un diabētu.

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

Tiek uzskatīts, ka mehanoterapijai, manuālai vai mehāniskai terapijas formai, ir plašs audu atjaunošanas potenciāls. Vispazīstamākais piemērs ir masāža, kurā muskuļi tiek atslābināti, stimulējot spiedienu. Tomēr ir daudz mazāk skaidrs, vai muskuļu stiepšana un saraušanās ar ārējiem līdzekļiem var būt arī ārstēšana. Līdz šim šādus pētījumus ir novērsušas divas galvenās problēmas: ierobežotas mehāniskās sistēmas, kas spēj vienmērīgi radīt stiepes un kontrakcijas spēkus visā muskuļu garumā, un neefektīva šo mehānisko stimulu piegāde uz muskuļu audu virsmu un dziļākiem slāņiem.

Tagad bioinženieri Hārvardas universitātes Wyss bioloģiski iedvesmotās inženierijas institūtā un Hārvardas Džona A. Paulsona inženierzinātņu un lietišķo zinātņu skolā (SEAS) ir izstrādājuši mehāniski aktīvu līmi ar nosaukumu MAGENTA, kas darbojas kā mīksta robotizēta ierīce un atrisina abas šīs problēmas - locīšanas problēmu. Dzīvnieku modelī MAGENTA veiksmīgi novērsa un veicināja atveseļošanos no muskuļu atrofijas. Komandas rezultāti ir publicēti Nature Materials.

Izmantojot MAGENTA, mēs esam izstrādājuši jaunu integrētu daudzkomponentu sistēmu muskuļu mehanostimulācijai, ko var pielietot tieši muskuļu audiem, lai aktivizētu galvenos molekulāros signālu ceļus izaugsmei. Lai gan pētījums sniedz pirmo pierādījumu koncepcijai, ka ārēji veiktas stiepšanās un kontrakcijas kustības var novērst atrofiju dzīvnieku modelī, mēs uzskatām, ka ierīces galveno dizainu var plaši pielāgot dažādiem slimību apstākļiem, kur atrofija ir galvenā problēma.

Deivids Mūnijs, Ph.D., vecākais autors un Wyss Founding Core fakultātes loceklis

Mūnijs vada Wyss Institute's Immuno-Materials Platform un ir arī Roberta P. Pinkasa ģimenes bioinženierijas profesors SEAS.

Līme, kas var kustināt muskuļus

Viena no MAGENTA galvenajām sastāvdaļām ir konstruēta atspere, kas izgatavota no nitinola, metāla veida, kas pazīstams kā "formas atmiņas sakausējums" (SMA), kas ļauj MAGENTA ātri aktivizēties, kad tas tiek uzkarsēts līdz noteiktai temperatūrai. Pētnieki aktivizēja atsperi, elektriski savienojot to ar mikroprocesora bloku, kas var programmēt izplešanās un saraušanās ciklu biežumu un ilgumu. Citas MAGENTA sastāvdaļas ir elastomēra matrica, kas veido ierīces korpusu un izolē apsildāmo SMA, un "izturīgā līmjava", kas ļauj ierīci stingri piestiprināt pie muskuļu audiem. Tādā veidā ierīce tiek saskaņota ar dabisko muskuļu kustības asi un pārraida SMA radīto mehānisko spēku dziļi muskuļos. Mooney grupa izstrādā MAGENTA, kas apzīmē "mehāniski aktīvu gēla elastomēra nitinola audu līmi", kā vienu no vairākām izturīgajām gēla līmēm ar funkcijām, kas pielāgotas dažādiem reģeneratīviem lietojumiem vairākos audos.

Pēc MAGENTA ierīces izstrādes un montāžas komanda pārbaudīja tās muskuļu deformācijas potenciālu, vispirms izolētos muskuļos ex vivo un pēc tam implantējot vienā no galvenajiem peļu ikru muskuļiem. Ierīce neizraisīja nopietnas audu iekaisuma un bojājumu pazīmes un uzrādīja aptuveni 15% mehānisko slodzi uz muskuļiem, kas atbilst to dabiskajai deformācijai slodzes laikā.

Omics e-grāmata

Pagājušā gada populārāko interviju, rakstu un ziņu apkopojums. Lejupielādējiet bezmaksas kopiju

Lai novērtētu terapeitisko efektivitāti, pētnieki pēc tam izmantoja muskuļu atrofijas in vivo modeli, imobilizējot peles pakaļējo ekstremitāšu mazā, ģipsim līdzīgā korpusā līdz divām nedēļām pēc MAGENTA ierīces implantācijas. "Lai gan neapstrādāti muskuļi un muskuļi, kas tika apstrādāti ar ierīci, bet netika stimulēti, šajā periodā ievērojami pazuda, aktīvi stimulētie muskuļi uzrādīja mazāku muskuļu zudumu," sacīja vadošais autors un Wyss tehnoloģiju attīstības līdzstrādnieks Sungmins Nam, Ph.D. "Mūsu pieeja varētu arī veicināt muskuļu masas atjaunošanos, kas jau bija zaudēta trīs nedēļu imobilizācijas periodā, un izraisīt galveno bioķīmisko mehānisko transdukcijas ceļu aktivizēšanu, kas, kā zināms, izraisa olbaltumvielu sintēzi un muskuļu augšanu.

Mehānoterapijas aspekti

Iepriekšējā pētījumā Mūnija grupa sadarbībā ar Wyss asociētās fakultātes locekļa Konora Volša grupu atklāja, ka akūti ievainoto muskuļu regulēta cikliskā saspiešana (pretstatā stiepšanai un kontrakcijai), izmantojot citu mīkstu robotizētu ierīci, samazināja iekaisumu un ļāva atjaunot muskuļu šķiedras akūti ievainotajā muskulī. Savā jaunajā pētījumā Mooney komanda jautāja, vai šie saspiešanas spēki var arī aizsargāt pret muskuļu zudumu. Tomēr, kad viņi tieši salīdzināja muskuļu saspiešanu, izmantojot iepriekšējo ierīci, ar muskuļu stiepšanu un kontrakciju, izmantojot MAGENTA ierīci, tikai pēdējam bija skaidra terapeitiskā iedarbība peles atrofijas modelī. "Pastāv liela iespēja, ka dažādas mīkstās robotu pieejas ar to unikālo ietekmi uz muskuļu audiem var atvērt slimību vai ievainojumu specifiskus mehānoterapeitiskos ceļus," sacīja Mūnijs.

Lai vēl vairāk paplašinātu MAGENTA iespējas, komanda pētīja, vai SMA atsperi var aktivizēt arī ar lāzera gaismu, kas iepriekš nebija parādīts un kas būtībā padarītu pieeju bezvadu un paplašinātu tās terapeitisko lietderību. Faktiski tie parādīja, ka implantēta MAGENTA ierīce bez elektrības vadiem var darboties kā gaismas jutīgs pievads un deformēt muskuļu audus, kad to apstaro ar lāzera gaismu caur virsējo ādas slāni. Lai gan lāzera aktivizēšana nesasniedza tādas pašas frekvences kā elektriskā aktivizēšana, un jo īpaši taukaudi absorbēja lāzera gaismu, pētnieki uzskata, ka ierīces demonstrēto gaismas jutību un veiktspēju varētu vēl vairāk uzlabot. "MAGENTA vispārējās iespējas un fakts, ka tās montāžu var viegli mērogot no milimetriem līdz vairākiem centimetriem, varētu padarīt to interesantu kā nākotnes mehanoterapijas centrālo elementu ne tikai atrofijas ārstēšanai, bet, iespējams, arī ādas, sirds un citu vietu reģenerācijas paātrināšanai, kas varētu gūt labumu no šīs mehāniskās transdukcijas formas," sacīja Nams.

"Pieaugošā atziņa, ka mehāniskās terapijas var risināt kritiskās neapmierinātās reģeneratīvās medicīnas vajadzības tādos veidos, kā uz zālēm balstītas terapijas vienkārši nevar, ir stimulējusi jaunu pētniecības jomu, kas savieno robotu inovācijas ar cilvēka fizioloģiju līdz molekulāro signalizācijas ceļu līmenim, kas pārraida citus mehāniskos stimulus," sacīja Wyss dibinātājs Donalds Ingbers, MD, Ph.D. "Šis Deiva Mūnija un viņa grupas pētījums ir ļoti elegants un novatorisks piemērs tam, kā šāda veida mehanoterapiju varētu klīniski izmantot nākotnē." Ingbers ir arī Jūda Folkmens asinsvadu bioloģijas profesors Hārvardas Medicīnas skolā un Bostonas Bērnu slimnīcā un Hansjörgs Wyss Bioiedvesmotās inženierijas profesors SEAS.

Citi pētījuma autori ir Bo Ri Seo, Aleksandrs Nadžibi un Stefānija Maknamara no Mooney grupas Wyss institūtā un SEAS. Pētījumu finansēja Nacionālais zobārstniecības un galvaskausa pētījumu institūts (balvas numurs R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver Nacionālais bērnu veselības un cilvēka attīstības institūts (balvas numurs P2CHD086843) un Hārvardas Universitātes Nacionālā zinātnes fonda Materiālu pētniecības zinātnes un inženierijas centrs (balvas numurs DMR14-20570).

Avots:

Wyss bioloģiski iedvesmotas inženierijas institūts Hārvardā

Atsauce:

Nam, S. u.c. (2022) Aktīvā audu līme aktivizē mehanosensorus un novērš muskuļu zudumu. Dabiski materiāli. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.