Mekanisk aktivt lim forhindrer og støtter restitusjon fra muskelatrofi

Mekanisk aktivt lim forhindrer og støtter restitusjon fra muskelatrofi

Muskelsvinn fra for lite trening, som skjer raskt i et brukket lem som er immobilisert i gips, og langsommere hos personer i høy alder. Muskelatrofi, som klinikere refererer til fenomenet, er også et svekkende symptom hos pasienter som lider av nevrologiske sykdommer som amyotrofisk lateral sklerose (ALS) og multippel sklerose (MS), og kan være en systemisk respons på forskjellige andre sykdommer, inkludert kreft og 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

Mekanoterapi, en manuell eller mekanisk form for terapi, anses å ha et bredt potensial for vevsreparasjon. Det mest kjente eksemplet er massasje, hvor musklene slappes av gjennom trykkstimulering. Det er imidlertid langt mindre klart om tøying og sammentrekning av muskler med ytre midler også kan være en behandling. Til dags dato har to store utfordringer forhindret slike studier: begrensede mekaniske systemer som er i stand til å generere strekk- og sammentrekningskrefter jevnt langs lengden av muskler, og ineffektiv levering av disse mekaniske stimuli til overflaten og dypere lag av muskelvev.

Nå har bioingeniører ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utviklet et mekanisk aktivt lim kalt MAGENTA som fungerer som en myk robotenhet og løser begge disse problemene – foldeproblem. I en dyremodell forhindret og fremmet MAGENTA vellykket utvinning fra muskelatrofi. Teamets resultater er publisert i Nature Materials.

Med MAGENTA har vi utviklet et nytt integrert flerkomponentsystem for muskelmekanostimulering som kan påføres direkte på muskelvev for å utløse viktige molekylære signalveier for vekst. Mens studien gir det første beviset på at eksternt leverte strekk- og sammentrekningsbevegelser kan forhindre atrofi i en dyremodell, tror vi at kjernedesignet til enheten kan tilpasses bredt til ulike sykdomsinnstillinger der atrofi er et stort problem.

David Mooney, Ph.D., seniorforfatter og medlem av Wyss Founding Core Faculty

Mooney leder Wyss Institutes Immuno-Materials Platform og er også Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering ved SEAS.

Et lim som kan bevege muskler

En av MAGENTAs hovedkomponenter er en konstruert fjær laget av Nitinol, en type metall kjent som "shape memory alloy" (SMA), som gjør at MAGENTA kan aktiveres raskt når den varmes opp til en viss temperatur. Forskerne aktiverte fjæren ved å koble den elektrisk til en mikroprosessorenhet som kan programmere frekvensen og varigheten av ekspansjons- og sammentrekningssyklusene. MAGENTAs andre komponenter er en elastomer matrise som danner enhetens kropp og isolerer den oppvarmede SMA, og et "tøft lim" som gjør at enheten kan festes godt til muskelvev. På denne måten er enheten på linje med den naturlige aksen for muskelbevegelse og overfører den mekaniske kraften som genereres av SMA dypt inn i muskelen. Mooneys gruppe utvikler MAGENTA, som står for "mechanically active gel elastomer nitinol tissue adhesive," som en av flere tøffe gel-lim med funksjonaliteter skreddersydd for ulike regenerative applikasjoner i flere vev.

Etter å ha utviklet og satt sammen MAGENTA-enheten, testet teamet dets muskeldeformerende potensial, først i isolerte muskler ex vivo og deretter ved implantasjon i en av de viktigste leggmusklene til mus. Enheten forårsaket ikke alvorlige tegn på vevsbetennelse og skade og demonstrerte mekanisk belastning på musklene på omtrent 15 %, i samsvar med deres naturlige deformasjon under trening.

Omics e-bok

Sammenstilling av de beste intervjuene, artikler og nyheter fra det siste året. Last ned en gratis kopi

For å evaluere terapeutisk effektivitet, brukte forskerne deretter en in vivo-modell av muskelatrofi ved å immobilisere en muss bakben i en liten, gipslignende innhegning i opptil to uker etter implantasjon av MAGENTA-enheten. "Mens ubehandlede muskler og muskler som ble behandlet med enheten, men ikke stimulert betydelig forsvant i løpet av denne perioden, viste de aktivt stimulerte musklene mindre muskeltap," sa hovedforfatter og Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam, Ph.D. "Vår tilnærming kan også fremme utvinningen av muskelmasse som allerede hadde gått tapt over en treukers periode med immobilisering og indusere aktivering av viktige biokjemiske mekanotransduksjonsveier kjent for å indusere proteinsyntese og muskelvekst.

Fasetter av mekanoterapi

I en tidligere studie fant Mooneys gruppe, i samarbeid med gruppen til Conor Walsh, et Wyss Associate Faculty-medlem, at regulert syklisk kompresjon (i motsetning til strekk og sammentrekning) av akutt skadde muskler ved bruk av en annen myk robotenhet reduserte betennelse og muliggjorde reparasjon av muskelfibre i den akutt skadde muskelen. I sin nye studie spurte Mooneys team om disse kompresjonskreftene også kunne beskytte mot muskeltap. Men når de direkte sammenlignet muskelkompresjon via den forrige enheten med muskelstrekking og sammentrekning via MAGENTA-enheten, hadde bare sistnevnte klare terapeutiske effekter i museatrofimodellen. "Det er en god sjanse for at forskjellige myke robottilnærminger, med sine unike effekter på muskelvev, kan åpne opp sykdoms- eller skadespesifikke mekanoterapeutiske veier," sa Mooney.

For å utvide MAGENTAs evner ytterligere, undersøkte teamet om SMA-fjæren også kunne aktiveres av laserlys, som ikke hadde blitt vist før og i hovedsak ville gjøre tilnærmingen trådløs og utvide dens terapeutiske nytte. Faktisk viste de at en implantert MAGENTA-enhet uten elektriske ledninger kunne fungere som en lysfølsom aktuator og deformere muskelvev når den ble bestrålt med laserlys gjennom det overliggende hudlaget. Mens laseraktivering ikke nådde de samme frekvensene som elektrisk aktivering, og spesielt fettvev så ut til å absorbere noe laserlys, mener forskerne at enhetens demonstrerte lysfølsomhet og ytelse kan forbedres ytterligere. "MAGENTAs generelle evner og det faktum at monteringen enkelt kan skaleres fra millimeter til flere centimeter kan gjøre det interessant som et sentralt element i fremtidig mekanoterapi, ikke bare for behandling av atrofi, men kanskje også for å akselerere regenerering i hud, hjerte og andre steder som kan dra nytte av denne formen for mekanotransduksjon," sa Nam.

"Den økende erkjennelsen av at mekanoterapier kan møte kritiske udekkede behov i regenerativ medisin på måter som medikamentbaserte terapier rett og slett ikke kan, har stimulert et nytt forskningsområde som kobler robotinnovasjoner til menneskelig fysiologi ned til nivået av molekylære signalveier som overfører andre mekaniske stimuli," sa Wyss-grunnleggerdirektør Donald Ph.D. "Denne studien av Dave Mooney og hans gruppe er et veldig elegant og banebrytende eksempel på hvordan denne typen mekanoterapi kan brukes klinisk i fremtiden." Ingber er også Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Boston Children's Hospital og Hansjörg Wyss-professor i bioinspirert ingeniørfag ved SEAS.

Andre forfattere av studien inkluderer Bo Ri Seo, Alexander Najibi og Stephanie McNamara fra Mooneys gruppe ved Wyss Institute og SEAS. Studien ble finansiert av National Institute of Dental and Craniofacial Research (prisnummer R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (prisnummer P2CHD086843), og Materials Research Science and Engineering Center ved National Science Foundation ved Harvard University (Award nummer DMR1704-205).

Kilde:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard

Referanse:

Nam, S., et al. (2022) Aktivt vevslim aktiverer mekanosensorer og forhindrer muskeltap. Naturmaterialer. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.