Mechanisch actieve lijm voorkomt en ondersteunt het herstel van spieratrofie

Mechanisch actieve lijm voorkomt en ondersteunt het herstel van spieratrofie

Spierverlies door te weinig lichaamsbeweging, zoals snel optreedt bij een gebroken ledemaat dat in het gips is geïmmobiliseerd, en langzamer bij mensen van hogere leeftijd. Spieratrofie, zoals artsen het fenomeen noemen, is ook een invaliderend symptoom bij patiënten die lijden aan neurologische ziekten zoals amyotrofische laterale sclerose (ALS) en multiple sclerose (MS), en kan een systemische reactie zijn op verschillende andere ziekten, waaronder kanker en diabetes.

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

Er wordt aangenomen dat mechanotherapie, een handmatige of mechanische vorm van therapie, een breed potentieel heeft voor weefselherstel. Het bekendste voorbeeld is massage, waarbij de spieren worden ontspannen door drukstimulatie. Het is echter veel minder duidelijk of het strekken en samentrekken van spieren met externe middelen ook een behandeling kan zijn. Tot nu toe hebben twee grote uitdagingen dergelijke onderzoeken verhinderd: beperkte mechanische systemen die in staat zijn om rek- en samentrekkingskrachten gelijkmatig langs de lengte van de spieren te genereren, en een inefficiënte afgifte van deze mechanische stimuli aan het oppervlak en de diepere lagen van spierweefsel.

Nu hebben bio-ingenieurs van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University en de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een mechanisch actieve lijm ontwikkeld, MAGENTA genaamd, die fungeert als een zacht robotapparaat en beide problemen oplost: het vouwprobleem. In een diermodel heeft MAGENTA met succes het herstel van spieratrofie voorkomen en bevorderd. De resultaten van het team worden gepubliceerd in Nature Materials.

Met MAGENTA hebben we een nieuw geïntegreerd systeem met meerdere componenten voor spiermechanostimulatie ontwikkeld dat rechtstreeks op spierweefsel kan worden toegepast om belangrijke moleculaire signaalroutes voor groei te activeren. Hoewel de studie het eerste proof-of-concept oplevert dat extern geleverde rek- en samentrekkingsbewegingen atrofie in een diermodel kunnen voorkomen, geloven wij dat het kernontwerp van het apparaat in grote lijnen kan worden aangepast aan verschillende ziektesituaties waarbij atrofie een groot probleem is.”

David Mooney, Ph.D., senior auteur en lid van de Wyss Founding Core Faculty

Mooney leidt het Immuno-Materials Platform van het Wyss Institute en is tevens Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering bij SEAS.

Een lijm die spieren kan bewegen

Een van de belangrijkste componenten van MAGENTA is een speciaal ontworpen veer gemaakt van Nitinol, een soort metaal dat bekend staat als "shape memory Alloy" (SMA), waardoor MAGENTA snel kan worden geactiveerd bij verhitting tot een bepaalde temperatuur. De onderzoekers activeerden de veer door deze elektrisch te verbinden met een microprocessoreenheid die de frequentie en duur van de uitzettings- en samentrekkingscycli kan programmeren. De andere componenten van MAGENTA zijn een elastomere matrix die de behuizing van het apparaat vormt en de verwarmde SMA isoleert, en een "sterke lijm" waarmee het apparaat stevig aan spierweefsel kan worden bevestigd. Op deze manier wordt het apparaat uitgelijnd met de natuurlijke as van spierbeweging en brengt het de door SMA gegenereerde mechanische kracht diep in de spier over. De groep van Mooney ontwikkelt MAGENTA, wat staat voor 'mechanisch actieve gel-elastomeer nitinol-weefselkleefstof', als een van de vele sterke gelkleefstoffen met functionaliteiten die zijn afgestemd op verschillende regeneratieve toepassingen in meerdere weefsels.

Na het ontwikkelen en assembleren van het MAGENTA-apparaat testte het team het spiervervormende potentieel ervan, eerst in geïsoleerde spieren ex vivo en vervolgens door implantatie in een van de belangrijkste kuitspieren van muizen. Het apparaat veroorzaakte geen ernstige tekenen van weefselontsteking en -schade en vertoonde een mechanische belasting van ongeveer 15% op de spieren, consistent met hun natuurlijke vervorming tijdens inspanning.

Omics e-boek

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download een gratis exemplaar

Om de therapeutische effectiviteit te evalueren, gebruikten de onderzoekers vervolgens een in vivo model van spieratrofie door het achterbeen van een muis te immobiliseren in een klein, gipsachtig omhulsel gedurende maximaal twee weken na implantatie van het MAGENTA-apparaat. “Terwijl onbehandelde spieren en spieren die met het apparaat waren behandeld maar niet gestimuleerd, significant verdwenen tijdens deze periode, vertoonden de actief gestimuleerde spieren minder spierverlies”, aldus hoofdauteur en Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam, Ph.D. “Onze aanpak zou ook het herstel van spiermassa kunnen bevorderen die al verloren was gegaan gedurende een periode van drie weken van immobilisatie en de activering van belangrijke biochemische mechanotransductieroutes kunnen veroorzaken waarvan bekend is dat ze eiwitsynthese en spiergroei induceren.

Facetten van mechanotherapie

In een eerdere studie ontdekte de groep van Mooney, in samenwerking met de groep van Conor Walsh, een lid van de Wyss Associate Faculty, dat gereguleerde cyclische compressie (in tegenstelling tot rek en samentrekking) van acuut gewonde spieren met behulp van een ander zacht robotapparaat de ontsteking verminderde en herstel van spiervezels in de acuut gewonde spier mogelijk maakte. In hun nieuwe onderzoek vroeg het team van Mooney of deze drukkrachten ook konden beschermen tegen spierverlies. Toen ze echter de spiercompressie via het vorige apparaat rechtstreeks vergeleken met het strekken en samentrekken van de spieren via het MAGENTA-apparaat, had alleen dit laatste duidelijke therapeutische effecten in het muisatrofiemodel. "Er is een goede kans dat verschillende zachte robotbenaderingen, met hun unieke effecten op spierweefsel, ziekte- of letselspecifieke mechanotherapeutische routes kunnen openen", aldus Mooney.

Om de mogelijkheden van MAGENTA verder uit te breiden, onderzocht het team of de SMA-veer ook kon worden geactiveerd door laserlicht, wat nog niet eerder was getoond en dat de aanpak in wezen draadloos zou maken en de therapeutische bruikbaarheid ervan zou vergroten. Ze toonden zelfs aan dat een geïmplanteerd MAGENTA-apparaat zonder elektrische draden zou kunnen werken als een lichtgevoelige actuator en spierweefsel zou kunnen vervormen wanneer het met laserlicht door de bovenliggende huidlaag wordt bestraald. Hoewel laseractivatie niet dezelfde frequenties bereikte als elektrische activering, en vooral vetweefsel wat laserlicht leek te absorberen, zijn de onderzoekers van mening dat de aangetoonde lichtgevoeligheid en prestaties van het apparaat verder kunnen worden verbeterd. "De algemene mogelijkheden van MAGENTA en het feit dat de montage ervan eenvoudig kan worden geschaald van millimeters tot enkele centimeters, zouden het interessant kunnen maken als een centraal element van toekomstige mechanotherapie, niet alleen voor de behandeling van atrofie, maar misschien ook voor het versnellen van de regeneratie van huid, hart en andere plaatsen die zouden kunnen profiteren van deze vorm van mechanotransductie, "zei Nam.

“De groeiende erkenning dat mechanotherapieën kritische onvervulde behoeften in de regeneratieve geneeskunde kunnen aanpakken op een manier waarop op medicijnen gebaseerde therapieën eenvoudigweg niet kunnen, heeft een nieuw onderzoeksgebied gestimuleerd dat robotinnovaties verbindt met de menselijke fysiologie tot op het niveau van moleculaire signaalroutes die andere mechanische stimuli overbrengen”, aldus Wyss Founding Director Donald Ingber, MD, Ph.D. “Deze studie door Dave Mooney en zijn groep is een zeer elegant en baanbrekend voorbeeld van hoe dit type mechanotherapie in de toekomst klinisch zou kunnen worden gebruikt.” Ingber is ook de Judah Folkman hoogleraar vasculaire biologie aan de Harvard Medical School en het Boston Children's Hospital en de Hansjörg Wyss hoogleraar bio-geïnspireerde engineering bij SEAS.

Andere auteurs van de studie zijn onder meer Bo Ri Seo, Alexander Najibi en Stephanie McNamara van Mooney's groep bij het Wyss Institute en SEAS. De studie werd gefinancierd door het National Institute of Dental and Craniofacial Research (onderscheidingsnummer R01DE013349), het Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (onderscheidingsnummer P2CHD086843) en het Materials Research Science and Engineering Center van de National Science Foundation aan de Harvard University (onderscheidingsnummer DMR14-20570).

Bron:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard

Referentie:

Nam, S., et al. (2022) Actieve weefsellijm activeert mechanosensoren en voorkomt spierverlies. Natuurlijke materialen. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.