Klej aktywny mechanicznie zapobiega i wspomaga regenerację po zaniku mięśni

Klej aktywny mechanicznie zapobiega i wspomaga regenerację po zaniku mięśni

Zanik mięśni przy zbyt małej aktywności fizycznej następuje szybko w przypadku złamanej kończyny unieruchomionej w gipsie, a wolniej u osób w podeszłym wieku. Zanik mięśni, jak określają to zjawisko klinicyści, jest także wyniszczającym objawem u pacjentów cierpiących na choroby neurologiczne, takie jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i stwardnienie rozsiane (SM), i może stanowić ogólnoustrojową reakcję na różne inne choroby, w tym raka i cukrzycę.

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

Uważa się, że mechanoterapia, ręczna lub mechaniczna forma terapii, ma szeroki potencjał naprawy tkanek. Najbardziej znanym przykładem jest masaż, podczas którego rozluźniane są mięśnie poprzez stymulację uciskową. Jednak znacznie mniej jasne jest, czy rozciąganie i kurczenie mięśni za pomocą środków zewnętrznych również może być leczeniem. Do chwili obecnej dwa główne wyzwania uniemożliwiają takie badania: ograniczone systemy mechaniczne zdolne do równomiernego generowania sił rozciągających i skurczowych na całej długości mięśni oraz nieefektywne dostarczanie tych bodźców mechanicznych na powierzchnię i do głębszych warstw tkanki mięśniowej.

Teraz bioinżynierowie z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Uniwersytecie Harvarda oraz Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali mechanicznie aktywny klej o nazwie MAGENTA, który działa jak miękkie urządzenie robotyczne i rozwiązuje oba te problemy – problem składania. Na modelu zwierzęcym MAGENTA skutecznie zapobiegała i wspomagała powrót do zdrowia po atrofii mięśni. Wyniki zespołu opublikowano w czasopiśmie Nature Materials.

Dzięki MAGENTA opracowaliśmy nowy, zintegrowany, wieloskładnikowy system do mechanostymulacji mięśni, który można zastosować bezpośrednio na tkankę mięśniową w celu uruchomienia kluczowych szlaków sygnalizacji molekularnej wzrostu. Chociaż badanie stanowi pierwszy dowód na to, że zewnętrzne ruchy rozciągające i skurczowe mogą zapobiegać atrofii na modelu zwierzęcym, wierzymy, że podstawową konstrukcję urządzenia można w szerokim zakresie dostosować do różnych schorzeń, w których atrofia stanowi główny problem”.

Doktor David Mooney, starszy autor i członek Wydziału Założycielskiego Wyss

Mooney kieruje platformą materiałów immunologicznych w Instytucie Wyss, a także jest profesorem bioinżynierii Roberta P. Pinkasa w SEAS.

Klej, który może poruszać mięśniami

Jednym z głównych komponentów MAGENTA jest specjalnie zaprojektowana sprężyna wykonana z nitinolu, rodzaju metalu znanego jako „stop z pamięcią kształtu” (SMA), który umożliwia szybką aktywację MAGENTA po podgrzaniu do określonej temperatury. Naukowcy aktywowali sprężynę, podłączając ją elektrycznie do jednostki mikroprocesorowej, która może zaprogramować częstotliwość i czas trwania cykli rozszerzania i kurczenia się. Pozostałe składniki MAGENTA to matryca elastomerowa, która tworzy korpus urządzenia i izoluje nagrzany SMA, oraz „twardy klej”, który umożliwia mocne przymocowanie urządzenia do tkanki mięśniowej. W ten sposób urządzenie ustawia się zgodnie z naturalną osią ruchu mięśni i przenosi siłę mechaniczną wytwarzaną przez SMA w głąb mięśnia. Grupa Mooney opracowuje MAGENTA, co oznacza „mechanicznie aktywny klej tkankowy w żelu z elastomeru nitinolowego”, jako jeden z kilku wytrzymałych klejów żelowych o funkcjonalnościach dostosowanych do różnych zastosowań regeneracyjnych w wielu tkankach.

Po opracowaniu i złożeniu urządzenia MAGENTA zespół przetestował jego potencjał deformowania mięśni, najpierw w izolowanych mięśniach ex vivo, a następnie poprzez wszczepienie w jeden z głównych mięśni łydek myszy. Urządzenie nie powodowało poważnych objawów zapalenia i uszkodzenia tkanek oraz wykazywało mechaniczne obciążenie mięśni rzędu 15%, zgodne z ich naturalną deformacją podczas wysiłku.

Książka elektroniczna Omiki

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku. Pobierz bezpłatną kopię

Aby ocenić skuteczność terapeutyczną, badacze wykorzystali następnie model atrofii mięśni in vivo, unieruchamiając tylną kończynę myszy w maleńkiej obudowie przypominającej plaster na okres do dwóch tygodni po wszczepieniu urządzenia MAGENTA. „Podczas gdy mięśnie nieleczone i mięśnie leczone urządzeniem, ale nie stymulowane, w znacznym stopniu zanikły w tym okresie, aktywnie stymulowane mięśnie wykazały mniejszą utratę mięśni” – powiedział główny autor i doktorant Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam. „Nasze podejście mogłoby również sprzyjać odbudowie masy mięśniowej, która została już utracona w ciągu trzytygodniowego okresu unieruchomienia, i indukować aktywację kluczowych biochemicznych szlaków mechanotransdukcji, o których wiadomo, że indukują syntezę białek i wzrost mięśni.

Aspekty mechanoterapii

W poprzednim badaniu grupa Mooneya we współpracy z grupą Conora Walsha, członka Wyss Associate Faculty, odkryła, że ​​regulowana cykliczna kompresja (w przeciwieństwie do rozciągania i skurczu) ostro uszkodzonych mięśni za pomocą innego miękkiego robota zmniejsza stan zapalny i umożliwia naprawę włókien mięśniowych w ostro uszkodzonym mięśniu. W swoim nowym badaniu zespół Mooneya zapytał, czy te siły ściskające mogą również chronić przed utratą mięśni. Jednakże, gdy bezpośrednio porównano kompresję mięśni za pomocą poprzedniego urządzenia z rozciąganiem i skurczem mięśni za pomocą urządzenia MAGENTA, tylko to drugie miało wyraźne działanie terapeutyczne w modelu atrofii myszy. „Istnieje duża szansa, że ​​różne podejścia do robotów miękkich, z ich unikalnym wpływem na tkankę mięśniową, mogą otworzyć ścieżki mechanoterapii specyficzne dla choroby lub urazu” – powiedział Mooney.

Aby jeszcze bardziej rozszerzyć możliwości MAGENTA, zespół zbadał, czy sprężynę SMA można aktywować również za pomocą światła lasera, co nie zostało wcześniej pokazane, a zasadniczo zapewniłoby bezprzewodowe podejście i rozszerzyłoby jego użyteczność terapeutyczną. W rzeczywistości wykazali, że wszczepione urządzenie MAGENTA bez przewodów elektrycznych może działać jako światłoczuły siłownik i deformować tkankę mięśniową pod wpływem naświetlania światłem laserowym przez warstwę skóry. Chociaż aktywacja laserowa nie osiągnęła tych samych częstotliwości co aktywacja elektryczna, a zwłaszcza tkanka tłuszczowa wydawała się pochłaniać część światła lasera, naukowcy uważają, że wykazaną przez urządzenie czułość na światło i działanie można jeszcze poprawić. „Ogólne możliwości MAGENTY oraz fakt, że jej montaż można łatwo skalować od milimetrów do kilku centymetrów, mogą sprawić, że będzie ona interesująca jako centralny element przyszłej mechanoterapii, nie tylko w leczeniu atrofii, ale być może także w celu przyspieszenia regeneracji skóry, serca i innych miejsc, które mogłyby skorzystać na tej formie mechanotransdukcji” – powiedział Nam.

„Rosnące uznanie, że mechanoterapie mogą zaspokoić najważniejsze, niezaspokojone potrzeby medycyny regeneracyjnej w sposób, w jaki terapie lekowe po prostu nie są w stanie, pobudziło nowy obszar badań, który łączy innowacje robotyczne z fizjologią człowieka aż do poziomu molekularnych szlaków sygnałowych przenoszących inne bodźce mechaniczne” – powiedział dyrektor założyciel Wyss, dr Donald Ingber. „Badanie przeprowadzone przez Dave’a Mooneya i jego grupę jest bardzo eleganckim i pionierskim przykładem tego, jak ten rodzaj mechanoterapii może zostać zastosowany klinicznie w przyszłości”. Ingber jest także profesorem biologii naczyniowej Judah Folkman w Harvard Medical School i Boston Children's Hospital oraz profesorem inżynierii bioinspirowanej Hansjörg Wyss w SEAS.

Inni autorzy badania to Bo Ri Seo, Alexander Najibi i Stephanie McNamara z grupy Mooney'a w Wyss Institute i SEAS. Badanie zostało sfinansowane przez Narodowy Instytut Badań Stomatologicznych i Czaszkowo-Twarzowych (numer nagrody R01DE013349), Narodowy Instytut Zdrowia Dziecka i Rozwoju Człowieka Eunice Kennedy Shriver (numer nagrody P2CHD086843) oraz Centrum Badań Materiałowych i Inżynierii Narodowej Fundacji Nauki na Uniwersytecie Harvarda (numer nagrody DMR14-20570).

Źródło:

Wyss Institute for Biologicznie Inspirowana Inżynieria na Harvardzie

Odniesienie:

Nam, S. i in. (2022) Aktywny klej tkankowy aktywuje mechanosensory i zapobiega utracie mięśni. Naturalne materiały. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.