Mechanicky aktívne lepidlo zabraňuje a podporuje zotavenie zo svalovej atrofie

Mechanicky aktívne lepidlo zabraňuje a podporuje zotavenie zo svalovej atrofie

Ubúdanie svalov z príliš malého cvičenia, ku ktorému dochádza rýchlo pri zlomenine končatiny znehybnenej v sadre a pomalšie u ľudí v pokročilom veku. Svalová atrofia, ako lekári označujú tento fenomén, je tiež oslabujúcim symptómom u pacientov trpiacich neurologickými ochoreniami, ako je amyotrofická laterálna skleróza (ALS) a roztrúsená skleróza (MS), a môže byť systémovou odpoveďou na rôzne iné ochorenia, vrátane rakoviny a cukrovky.

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

Mechanoterapia, manuálna alebo mechanická forma terapie, sa považuje za majúcu široký potenciál na opravu tkaniva. Najznámejším príkladom je masáž, pri ktorej dochádza k uvoľneniu svalov pomocou tlakovej stimulácie. Oveľa menej je však jasné, či naťahovanie a sťahovanie svalov vonkajšími prostriedkami môže byť aj liečbou. K dnešnému dňu bránili takýmto štúdiám dve hlavné výzvy: obmedzené mechanické systémy schopné generovať naťahovacie a kontrakčné sily rovnomerne po celej dĺžke svalov a neefektívne dodávanie týchto mechanických stimulov na povrch a hlbšie vrstvy svalového tkaniva.

Teraz bioinžinieri z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvardskej univerzite a Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinuli mechanicky aktívne lepidlo s názvom MAGENTA, ktoré funguje ako mäkké robotické zariadenie a rieši oba tieto problémy – problém skladania. Na zvieracom modeli MAGENTA úspešne zabránila a podporila zotavenie zo svalovej atrofie. Výsledky tímu sú zverejnené v Nature Materials.

S MAGENTA sme vyvinuli nový integrovaný viaczložkový systém pre svalovú mechanostimuláciu, ktorý možno aplikovať priamo do svalového tkaniva na spustenie kľúčových molekulárnych signálnych dráh pre rast. Zatiaľ čo štúdia poskytuje prvý dôkaz koncepcie, že externe dodávané naťahovacie a kontrakčné pohyby môžu zabrániť atrofii na zvieracom modeli, veríme, že základný dizajn zariadenia môže byť široko prispôsobený rôznym ochoreniam, kde je atrofia hlavným problémom.

David Mooney, Ph.D., hlavný autor a člen zakladajúcej základnej fakulty Wyss

Mooney vedie platformu imuno-materiálov inštitútu Wyss a je tiež rodinným profesorom bioinžinierstva Roberta P. Pinkasa na SEAS.

Lepidlo, ktoré dokáže rozhýbať svaly

Jednou z hlavných súčastí MAGENTA je skonštruovaná pružina vyrobená z Nitinolu, typu kovu známeho ako "zliatina s tvarovou pamäťou" (SMA), ktorá umožňuje rýchlu aktiváciu MAGENTY pri zahriatí na určitú teplotu. Výskumníci aktivovali pružinu elektrickým pripojením k mikroprocesorovej jednotke, ktorá dokáže naprogramovať frekvenciu a trvanie cyklov expanzie a kontrakcie. Ďalšími komponentmi MAGENTA sú elastomérna matrica, ktorá tvorí telo zariadenia a izoluje vyhrievaný SMA, a „pevné lepidlo“, ktoré umožňuje pevné prichytenie zariadenia k svalovému tkanivu. Týmto spôsobom je zariadenie zarovnané s prirodzenou osou pohybu svalu a prenáša mechanickú silu generovanú SMA hlboko do svalu. Skupina Mooney vyvíja MAGENTA, čo je skratka pre „mechanicky aktívne gélové elastomérne nitinolové tkanivové lepidlo“, ako jedno z niekoľkých tvrdých gélových lepidiel s funkciami prispôsobenými rôznym regeneračným aplikáciám vo viacerých tkanivách.

Po vývoji a zostavení zariadenia MAGENTA tím otestoval jeho potenciál deformácie svalov, najprv v izolovaných svaloch ex vivo a potom implantáciou do jedného z hlavných lýtkových svalov myší. Zariadenie nespôsobilo vážne známky zápalu a poškodenia tkaniva a preukázalo mechanické namáhanie svalov približne 15 %, čo je v súlade s ich prirodzenou deformáciou počas cvičenia.

Elektronická kniha Omics

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok. Stiahnite si bezplatnú kópiu

Na vyhodnotenie terapeutickej účinnosti výskumníci ďalej použili in vivo model svalovej atrofie znehybnením zadnej končatiny myši v malom kryte podobnom sadre až dva týždne po implantácii zariadenia MAGENTA. „Zatiaľ čo neošetrené svaly a svaly, ktoré boli ošetrené prístrojom, ale neboli stimulované, počas tohto obdobia výrazne zmizli, aktívne stimulované svaly vykazovali menšiu stratu svalov,“ povedal vedúci autor a člen vývoja technológie Wyss Sungmin Nam, Ph.D. "Náš prístup by tiež mohol podporiť obnovu svalovej hmoty, ktorá už bola stratená počas trojtýždňového obdobia imobilizácie, a vyvolať aktiváciu kľúčových biochemických mechanotransdukčných dráh, o ktorých je známe, že indukujú syntézu bielkovín a rast svalov."

Aspekty mechanoterapie

V predchádzajúcej štúdii Mooneyho skupina v spolupráci so skupinou Conora Walsha, člena pridruženej fakulty Wyss, zistila, že regulovaná cyklická kompresia (na rozdiel od naťahovania a kontrakcie) akútne zranených svalov pomocou iného mäkkého robotického zariadenia znižuje zápal a umožňuje opravu svalových vlákien v akútne poranenom svale. Vo svojej novej štúdii sa Mooneyho tím pýtal, či tieto kompresné sily môžu chrániť aj pred stratou svalov. Keď však priamo porovnávali svalovú kompresiu prostredníctvom predchádzajúceho zariadenia s naťahovaním a kontrakciou svalov prostredníctvom zariadenia MAGENTA, iba druhé malo jasné terapeutické účinky v modeli atrofie myší. "Existuje dobrá šanca, že rôzne mäkké robotické prístupy s ich jedinečnými účinkami na svalové tkanivo by mohli otvoriť mechanoterapeutické cesty špecifické pre chorobu alebo zranenia," povedal Mooney.

Na ďalšie rozšírenie možností MAGENTA tím skúmal, či by SMA pružina mohla byť aktivovaná aj laserovým svetlom, ktoré sa predtým neukázalo a v podstate by urobilo prístup bezdrôtovým a rozšírilo by jeho terapeutické využitie. V skutočnosti ukázali, že implantované zariadenie MAGENTA bez elektrických drôtov môže pôsobiť ako svetlocitlivý aktuátor a deformovať svalové tkanivo pri ožiarení laserovým svetlom cez prekrývajúcu vrstvu kože. Zatiaľ čo aktivácia laserom nedosahovala rovnaké frekvencie ako elektrická aktivácia a najmä tukové tkanivo zrejme absorbovalo časť laserového svetla, vedci sa domnievajú, že preukázaná citlivosť a výkon zariadenia na svetlo by sa mohli ešte zlepšiť. "Všeobecné schopnosti MAGENTY a skutočnosť, že jej zostava môže byť ľahko škálovateľná od milimetrov po niekoľko centimetrov, by ju mohli urobiť zaujímavým ako ústredný prvok budúcej mechanoterapie, nielen na liečbu atrofie, ale možno aj na urýchlenie regenerácie v koži, srdci a iných miestach, ktoré by mohli mať prospech z tejto formy mechanotransdukcie," povedal Nam.

„Rastúce uznanie, že mechanoterapie môžu riešiť kritické nenaplnené potreby v regeneratívnej medicíne spôsobmi, ktoré medikamentózne terapie jednoducho nedokážu, podnietilo novú oblasť výskumu, ktorá spája robotické inovácie s ľudskou fyziológiou až po úroveň molekulárnych signálnych dráh, ktoré prenášajú iné mechanické stimuly,“ povedal zakladajúci riaditeľ Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D. "Táto štúdia Davea Mooneyho a jeho skupiny je veľmi elegantným a priekopníckym príkladom toho, ako by sa tento typ mechanoterapie mohol v budúcnosti klinicky použiť." Ingber je tiež profesorom vaskulárnej biológie Judah Folkman na Harvard Medical School a Boston Children's Hospital a Hansjörg Wyss profesorom bioinšpirovaného inžinierstva v SEAS.

Ďalšími autormi štúdie sú Bo Ri Seo, Alexander Najibi a Stephanie McNamara z Mooneyho skupiny vo Wyss Institute a SEAS. Štúdiu financovali Národný inštitút pre zubný a kraniofaciálny výskum (číslo ocenenia R01DE013349), Národný inštitút zdravia detí a ľudského rozvoja Eunice Kennedy Shriver (číslo ocenenia P2CHD086843) a Centrum pre výskum materiálov Národnej vedeckej nadácie na Harvardskej univerzite (číslo ocenenia DMR05704-2).

Zdroj:

Wyssov inštitút pre biologicky inšpirované inžinierstvo na Harvarde

Referencia:

Nam, S., a kol. (2022) Aktívne tkanivové lepidlo aktivuje mechanosenzory a zabraňuje strate svalov. Prírodné materiály. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.