Adezivul activ mecanic previne și sprijină recuperarea după atrofia musculară

Adezivul activ mecanic previne și sprijină recuperarea după atrofia musculară

Pierderea musculară din cauza prea puțină exercițiu, așa cum se întâmplă rapid la un membru rupt imobilizat într-un ghips și mai lent la persoanele de vârstă înaintată. Atrofia musculară, așa cum se referă clinicienii la acest fenomen, este, de asemenea, un simptom debilitant la pacienții care suferă de boli neurologice, cum ar fi scleroza laterală amiotrofică (ALS) și scleroza multiplă (SM), și poate fi un răspuns sistemic la diferite alte boli, inclusiv cancerul și diabetul.

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

Mecanoterapia, o formă manuală sau mecanică de terapie, este considerată a avea un potențial larg pentru repararea țesuturilor. Cel mai cunoscut exemplu este masajul, în care mușchii sunt relaxați prin stimularea presiunii. Cu toate acestea, este mult mai puțin clar dacă întinderea și contractarea mușchilor prin mijloace externe poate fi, de asemenea, un tratament. Până în prezent, două provocări majore au împiedicat astfel de studii: sisteme mecanice limitate capabile să genereze forțe de întindere și contracție uniform de-a lungul lungimii mușchilor și livrarea ineficientă a acestor stimuli mecanici la suprafața și straturile mai profunde ale țesutului muscular.

Acum, bioinginerii de la Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic de la Universitatea Harvard și de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate de la Harvard John A. Paulson (SEAS) au dezvoltat un adeziv activ mecanic numit MAGENTA care acționează ca un dispozitiv robotic moale și rezolvă ambele probleme - problema plierii. Într-un model animal, MAGENTA a prevenit și a promovat cu succes recuperarea după atrofia musculară. Rezultatele echipei sunt publicate în Nature Materials.

Cu MAGENTA, am dezvoltat un nou sistem integrat cu mai multe componente pentru mecanostimularea musculară care poate fi aplicat direct pe țesutul muscular pentru a declanșa căi cheie de semnalizare moleculară pentru creștere. În timp ce studiul oferă prima dovadă a conceptului că mișcările de întindere și contracție furnizate extern pot preveni atrofia la un model animal, credem că designul de bază al dispozitivului poate fi adaptat pe scară largă la diferite condiții de boală în care atrofia este o problemă majoră.

David Mooney, Ph.D., autor principal și membru al Facultății de bază fondatoare Wyss

Mooney conduce Platforma de imuno-materiale a Institutului Wyss și este, de asemenea, profesor de bioinginerie al familiei Robert P. Pinkas la SEAS.

Un adeziv care poate mișca mușchii

Una dintre componentele principale ale MAGENTA este un arc conceput din Nitinol, un tip de metal cunoscut sub numele de „aliaj cu memorie de formă” (SMA), care permite ca MAGENTA să fie activat rapid atunci când este încălzit la o anumită temperatură. Cercetătorii au activat arcul prin cablarea electrică a acestuia la o unitate cu microprocesor care poate programa frecvența și durata ciclurilor de expansiune și contracție. Celelalte componente ale MAGENTA sunt o matrice elastomerică care formează corpul dispozitivului și izolează SMA încălzit și un „adeziv dur” care permite dispozitivului să fie atașat ferm de țesutul muscular. În acest fel, dispozitivul este aliniat cu axa naturală a mișcării musculare și transmite forța mecanică generată de SMA adânc în mușchi. Grupul Mooney dezvoltă MAGENTA, care reprezintă „adeziv pentru țesuturi nitinol cu ​​elastomer gel activ mecanic”, ca unul dintre câțiva adezivi gel dur, cu funcționalități adaptate diverselor aplicații regenerative în mai multe țesuturi.

După ce a dezvoltat și asamblat dispozitivul MAGENTA, echipa a testat potențialul său de deformare a mușchilor, mai întâi în mușchi izolați ex vivo și apoi prin implantare într-unul dintre mușchii majori ai gambei la șoareci. Dispozitivul nu a provocat semne grave de inflamare și deteriorare a țesuturilor și a demonstrat un stres mecanic asupra mușchilor de aproximativ 15%, în concordanță cu deformarea lor naturală în timpul exercițiului.

Carte electronică Omics

Compilare a celor mai bune interviuri, articole și știri din ultimul an. Descărcați o copie gratuită

Pentru a evalua eficacitatea terapeutică, cercetătorii au folosit apoi un model in vivo de atrofie musculară prin imobilizarea membrului posterior al unui șoarece într-o incintă minusculă, asemănătoare ipsosului, timp de până la două săptămâni după implantarea dispozitivului MAGENTA. „În timp ce mușchii netratați și mușchii care au fost tratați cu dispozitivul, dar nestimulați au dispărut în mod semnificativ în această perioadă, mușchii stimulați în mod activ au prezentat mai puțină pierdere musculară”, a spus autorul principal și coleg Wyss Technology Development Sungmin Nam, Ph.D. „Abordarea noastră ar putea promova, de asemenea, recuperarea masei musculare care fusese deja pierdută într-o perioadă de trei săptămâni de imobilizare și ar putea induce activarea căilor cheie de mecanotransducție biochimică cunoscute pentru a induce sinteza proteinelor și creșterea musculară.

Fațete ale mecanoterapiei

Într-un studiu anterior, grupul lui Mooney, în colaborare cu grupul lui Conor Walsh, membru Wyss Associate Faculty, a descoperit că compresia ciclică reglată (spre deosebire de întinderea și contracția) a mușchilor răniți acut, folosind un alt dispozitiv robotic moale, a redus inflamația și a permis repararea fibrelor musculare în mușchiul rănit acut. În noul lor studiu, echipa lui Mooney a întrebat dacă aceste forțe de compresiune ar putea proteja și împotriva pierderii musculare. Cu toate acestea, atunci când au comparat direct compresia musculară prin intermediul dispozitivului anterior cu întinderea și contracția musculară prin intermediul dispozitivului MAGENTA, numai acesta din urmă a avut efecte terapeutice clare în modelul de atrofie a șoarecelui. „Există șanse mari ca diferite abordări robotice moi, cu efectele lor unice asupra țesutului muscular, să poată deschide căi mecanoterapeutice specifice bolii sau leziunilor”, a spus Mooney.

Pentru a extinde și mai mult capacitățile MAGENTA, echipa a investigat dacă arcul SMA ar putea fi activat și de lumina laser, care nu fusese arătată înainte și, în esență, ar face abordarea fără fir și va extinde utilitatea terapeutică. De fapt, ei au arătat că un dispozitiv MAGENTA implantat fără fire electrice ar putea acționa ca un actuator sensibil la lumină și ar putea deforma țesutul muscular atunci când este iradiat cu lumină laser prin stratul de piele de deasupra. Deși activarea laserului nu a atins aceleași frecvențe ca și activarea electrică, iar țesutul adipos în special părea să absoarbă o parte de lumină laser, cercetătorii cred că sensibilitatea și performanța demonstrată a dispozitivului la lumină ar putea fi îmbunătățite în continuare. „Capacitățile generale ale MAGENTA și faptul că ansamblul său poate fi scalat cu ușurință de la milimetri la câțiva centimetri l-ar putea face interesant ca element central al viitoarei mecanoterapii, nu numai pentru tratarea atrofiei, dar poate și pentru accelerarea regenerării în piele, inimă și alte locuri care ar putea beneficia de această formă de mecanotransducție”, a spus Nam.

„Recunoașterea crescândă a faptului că mecanoterapiile pot aborda nevoi critice nesatisfăcute în medicina regenerativă într-un mod în care terapiile bazate pe medicamente pur și simplu nu le pot, a stimulat o nouă zonă de cercetare care conectează inovațiile robotice de fiziologia umană până la nivelul căilor de semnalizare moleculară care transmit alți stimuli mecanici”, a spus directorul fondator Wyss, Donald Ingber, MD. „Acest studiu realizat de Dave Mooney și grupul său este un exemplu foarte elegant și de pionierat al modului în care acest tip de mecanoterapie ar putea fi utilizat clinic în viitor.” Ingber este, de asemenea, Judah Folkman Profesor de Biologie Vasculară la Harvard Medical School și Boston Children's Hospital și Hansjörg Wyss Profesor de Bioinspired Engineering la SEAS.

Alți autori ai studiului includ Bo Ri Seo, Alexander Najibi și Stephanie McNamara de la grupul lui Mooney de la Institutul Wyss și SEAS. Studiul a fost finanțat de Institutul Național de Cercetare Stomatologică și Craniofacială (număr de premiu R01DE013349), Institutul Național de Sănătate a Copilului și Dezvoltare Umană Eunice Kennedy Shriver (număr de premiu P2CHD086843) și Centrul de Cercetare a Materialelor pentru Știință și Inginerie al Fundației Naționale de Știință de la Universitatea Harvard (numărul de premiu DMR14-20570).

Sursă:

Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic de la Harvard

Referinţă:

Nam, S., şi colab. (2022) Adezivul activ pentru țesuturi activează mecanosenzorii și previne pierderea musculară. Materiale naturale. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.