O adesivo mecanicamente ativo previne e apoia a recuperação da atrofia muscular

O adesivo mecanicamente ativo previne e apoia a recuperação da atrofia muscular

Perda muscular devido a pouco exercício, como ocorre rapidamente em um membro quebrado e imobilizado engessado, e mais lentamente em pessoas de idade avançada. A atrofia muscular, como os médicos se referem ao fenómeno, é também um sintoma debilitante em pacientes que sofrem de doenças neurológicas, como a esclerose lateral amiotrófica (ELA) e a esclerose múltipla (EM), e pode ser uma resposta sistémica a várias outras doenças, incluindo cancro e 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

A mecanoterapia, uma forma de terapia manual ou mecânica, é considerada como tendo amplo potencial para reparo tecidual. O exemplo mais conhecido é a massagem, na qual os músculos são relaxados por meio de estimulação por pressão. No entanto, é muito menos claro se o alongamento e a contração muscular por meios externos também podem ser um tratamento. Até o momento, dois grandes desafios impediram tais estudos: sistemas mecânicos limitados, capazes de gerar forças de estiramento e contração uniformemente ao longo do comprimento dos músculos, e a entrega ineficiente desses estímulos mecânicos às camadas superficiais e mais profundas do tecido muscular.

Agora, bioengenheiros do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) desenvolveram um adesivo mecanicamente ativo chamado MAGENTA que atua como um dispositivo robótico macio e resolve ambos os problemas - problema de dobramento. Num modelo animal, MAGENTA preveniu e promoveu com sucesso a recuperação da atrofia muscular. Os resultados da equipe são publicados na Nature Materials.

Com MAGENTA, desenvolvemos um novo sistema multicomponente integrado para mecanoestimulação muscular que pode ser aplicado diretamente ao tecido muscular para acionar vias de sinalização molecular essenciais para o crescimento. Embora o estudo forneça a primeira prova de conceito de que movimentos de alongamento e contração aplicados externamente podem prevenir a atrofia em um modelo animal, acreditamos que o design central do dispositivo pode ser amplamente adaptado a vários cenários de doenças onde a atrofia é um grande problema.”

David Mooney, Ph.D., autor sênior e membro do Wyss Founding Core Faculdade

Mooney lidera a Plataforma de Imuno-Materiais do Wyss Institute e também é Professor de Bioengenharia da Família Robert P. Pinkas no SEAS.

Um adesivo que pode mover os músculos

Um dos principais componentes do MAGENTA é uma mola projetada feita de Nitinol, um tipo de metal conhecido como “liga com memória de forma” (SMA), que permite que o MAGENTA seja ativado rapidamente quando aquecido a uma determinada temperatura. Os pesquisadores ativaram a mola conectando-a eletricamente a uma unidade microprocessadora que pode programar a frequência e a duração dos ciclos de expansão e contração. Os outros componentes do MAGENTA são uma matriz elastomérica que forma o corpo do dispositivo e isola o SMA aquecido, e um “adesivo resistente” que permite que o dispositivo seja firmemente fixado ao tecido muscular. Desta forma, o dispositivo fica alinhado com o eixo natural do movimento muscular e transmite a força mecânica gerada pela SMA profundamente no músculo. O grupo de Mooney está desenvolvendo MAGENTA, que significa "adesivo tecidual de elastômero nitinol em gel mecanicamente ativo", como um dos vários adesivos em gel resistentes com funcionalidades adaptadas a diversas aplicações regenerativas em múltiplos tecidos.

Depois de desenvolver e montar o dispositivo MAGENTA, a equipe testou seu potencial de deformação muscular, primeiro em músculos isolados ex vivo e depois por implantação em um dos principais músculos da panturrilha de camundongos. O dispositivo não causou sinais graves de inflamação e dano tecidual e demonstrou estresse mecânico nos músculos de aproximadamente 15%, consistente com sua deformação natural durante o exercício.

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Para avaliar a eficácia terapêutica, os investigadores utilizaram em seguida um modelo in vivo de atrofia muscular, imobilizando o membro traseiro de um rato num pequeno invólucro semelhante a gesso durante até duas semanas após a implantação do dispositivo MAGENTA. “Embora os músculos não tratados e os músculos que foram tratados com o dispositivo, mas não estimulados, tenham desaparecido significativamente durante este período, os músculos estimulados ativamente mostraram menos perda muscular”, disse o autor principal e bolsista de desenvolvimento de tecnologia da Wyss, Sungmin Nam, Ph.D. “Nossa abordagem também poderia promover a recuperação da massa muscular que já havia sido perdida durante um período de imobilização de três semanas e induzir a ativação de importantes vias bioquímicas de mecanotransdução conhecidas por induzirem a síntese de proteínas e o crescimento muscular.

Facetas da mecanoterapia

Em um estudo anterior, o grupo de Mooney, em colaboração com o grupo de Conor Walsh, membro do corpo docente associado da Wyss, descobriu que a compressão cíclica regulada (em oposição ao alongamento e contração) de músculos gravemente lesionados usando outro dispositivo robótico macio reduziu a inflamação e permitiu o reparo das fibras musculares no músculo gravemente lesionado. No seu novo estudo, a equipa de Mooney perguntou se estas forças compressivas também poderiam proteger contra a perda muscular. No entanto, quando compararam diretamente a compressão muscular através do dispositivo anterior com o alongamento e contração muscular através do dispositivo MAGENTA, apenas este último teve efeitos terapêuticos claros no modelo de atrofia do rato. “Há uma boa chance de que diferentes abordagens robóticas leves, com seus efeitos únicos no tecido muscular, possam abrir caminhos mecanoterapêuticos específicos para doenças ou lesões”, disse Mooney.

Para expandir ainda mais as capacidades do MAGENTA, a equipe investigou se a mola SMA também poderia ser ativada por luz laser, o que não havia sido mostrado antes e que essencialmente tornaria a abordagem sem fio e expandiria sua utilidade terapêutica. Na verdade, eles mostraram que um dispositivo MAGENTA implantado sem fios elétricos poderia atuar como um atuador sensível à luz e deformar o tecido muscular quando irradiado com luz laser através da camada cutânea sobrejacente. Embora a ativação do laser não tenha atingido as mesmas frequências que a ativação elétrica, e o tecido adiposo, em particular, parecesse absorver alguma luz do laser, os pesquisadores acreditam que a sensibilidade à luz e o desempenho demonstrados pelo dispositivo poderiam ser melhorados ainda mais. "As capacidades gerais do MAGENTA e o fato de que sua montagem pode ser facilmente dimensionada de milímetros a vários centímetros podem torná-lo interessante como elemento central da futura mecanoterapia, não apenas para tratar atrofia, mas talvez também para acelerar a regeneração na pele, coração e outros locais que poderiam se beneficiar desta forma de mecanotransdução", disse Nam.

“O crescente reconhecimento de que as mecanoterapias podem atender às necessidades críticas não atendidas na medicina regenerativa de uma forma que as terapias baseadas em medicamentos simplesmente não conseguem, estimulou uma nova área de pesquisa que conecta as inovações robóticas à fisiologia humana até o nível das vias de sinalização molecular que transmitem outros estímulos mecânicos”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. “Este estudo de Dave Mooney e seu grupo é um exemplo muito elegante e pioneiro de como este tipo de mecanoterapia poderia ser usado clinicamente no futuro.” Ingber também é professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children's Hospital e professor Hansjörg Wyss de Engenharia Bioinspirada no SEAS.

Outros autores do estudo incluem Bo Ri Seo, Alexander Najibi e Stephanie McNamara do grupo de Mooney no Wyss Institute e SEAS. O estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Pesquisa Odontológica e Craniofacial (prêmio número R01DE013349), pelo Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano Eunice Kennedy Shriver (prêmio número P2CHD086843) e pelo Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation da Universidade de Harvard (prêmio número DMR14-20570).

Fonte:

Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada em Harvard

Referência:

Nam, S., et al. (2022) O adesivo tecidual ativo ativa mecanossensores e previne a perda muscular. Materiais naturais. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

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