Mehansko aktivno lepilo preprečuje in podpira okrevanje po atrofiji mišic

Mehansko aktivno lepilo preprečuje in podpira okrevanje po atrofiji mišic

Propadanje mišic zaradi premajhne vadbe, kar se hitro pojavi pri zlomljenem udu, imobiliziranem v gipsu, in počasneje pri starejših ljudeh. Mišična atrofija, kot klinični zdravniki imenujejo ta pojav, je tudi izčrpavajoč simptom pri bolnikih z nevrološkimi boleznimi, kot sta amiotrofična lateralna skleroza (ALS) in multipla skleroza (MS), in je lahko sistemski odziv na različne druge bolezni, vključno z rakom in sladkorno boleznijo.

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

Za mehanoterapijo, ročno ali mehansko obliko terapije, velja, da ima velik potencial za obnovo tkiva. Najbolj znan primer je masaža, pri kateri mišice sproščamo s stimulacijo pritiska. Vendar pa je veliko manj jasno, ali je raztezanje in krčenje mišic z zunanjimi sredstvi lahko tudi zdravljenje. Do danes sta dva glavna izziva preprečevala takšne študije: omejeni mehanski sistemi, ki lahko enakomerno ustvarjajo sile raztezanja in krčenja vzdolž dolžine mišic, in neučinkovita dostava teh mehanskih dražljajev na površino in globlje plasti mišičnega tkiva.

Zdaj so bioinženirji na Wyssovem inštitutu za biološko navdahnjeno inženirstvo na Univerzi Harvard in Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) razvili mehansko aktivno lepilo, imenovano MAGENTA, ki deluje kot mehka robotska naprava in rešuje oba ta problema – problem zgibanja. V živalskem modelu je MAGENTA uspešno preprečila in pospešila okrevanje po atrofiji mišic. Rezultati ekipe so objavljeni v Nature Materials.

Z MAGENTO smo razvili nov integriran večkomponentni sistem za mehanostimulacijo mišic, ki se lahko nanese neposredno na mišično tkivo, da sproži ključne molekularne signalne poti za rast. Medtem ko študija zagotavlja prvi dokaz koncepta, da lahko zunanji raztezni in krčni gibi preprečijo atrofijo v živalskem modelu, verjamemo, da je osnovno zasnovo naprave mogoče na splošno prilagoditi različnim boleznim, kjer je atrofija velik problem.«

David Mooney, dr., višji avtor in član Wyss Founding Core Faculty

Mooney vodi platformo za imunske materiale inštituta Wyss in je tudi družinski profesor bioinženiringa Roberta P. Pinkasa na SEAS.

Lepilo, ki lahko premika mišice

Ena od glavnih komponent MAGENTE je izdelana vzmet iz Nitinola, vrste kovine, znane kot "zlitina spomina oblike" (SMA), ki omogoča, da se MAGENTA hitro aktivira, ko se segreje na določeno temperaturo. Raziskovalci so vzmet aktivirali tako, da so jo električno povezali z mikroprocesorsko enoto, ki lahko programira frekvenco in trajanje ciklov širitve in krčenja. Druge komponente MAGENTA so elastomerna matrika, ki tvori telo naprave in izolira segreti SMA, ter "trdno lepilo", ki omogoča, da je naprava trdno pritrjena na mišično tkivo. Na ta način je naprava poravnana z naravno osjo gibanja mišice in prenaša mehansko silo, ki jo ustvarja SMA globoko v mišico. Skupina Mooney's razvija MAGENTA, ki pomeni "mehansko aktivno gelno elastomerno lepilo za tkivo iz nitinola", kot eno izmed več močnih gelnih lepil s funkcionalnostmi, prilagojenimi različnim regenerativnim aplikacijam v več tkivih.

Po razvoju in sestavljanju naprave MAGENTA je ekipa preizkusila njen potencial za deformacijo mišic, najprej v izoliranih mišicah ex vivo in nato z implantacijo v eno od glavnih telečjih mišic miši. Naprava ni povzročila resnih znakov vnetja in poškodbe tkiva in je pokazala mehansko obremenitev mišic v višini približno 15 %, kar je skladno z njihovo naravno deformacijo med vadbo.

Omics e-knjiga

Zbirka najboljših intervjujev, člankov in novic zadnjega leta. Prenesite brezplačno kopijo

Za ovrednotenje terapevtske učinkovitosti so raziskovalci nato uporabili in vivo model mišične atrofije z imobilizacijo mišjega zadnjega uda v majhnem, mavcu podobnem ohišju do dva tedna po implantaciji naprave MAGENTA. "Medtem ko so nezdravljene mišice in mišice, ki so bile zdravljene z napravo, vendar ne stimulirane, v tem obdobju znatno izginile, so aktivno stimulirane mišice pokazale manjšo izgubo mišic," je povedal glavni avtor in sodelavec Wyss Technology Development Sungmin Nam, dr. »Naš pristop bi lahko spodbujal tudi okrevanje mišične mase, ki je bila že izgubljena v tritedenskem obdobju imobilizacije, in sprožil aktivacijo ključnih biokemičnih poti mehanotransdukcije, za katere je znano, da inducirajo sintezo beljakovin in rast mišic.

Vidiki mehanoterapije

V prejšnji študiji je Mooneyjeva skupina v sodelovanju s skupino Conorja Walsha, člana fakultete Wyss Associate, ugotovila, da regulirana ciklična kompresija (v nasprotju z raztezanjem in krčenjem) akutno poškodovanih mišic z uporabo druge mehke robotske naprave zmanjša vnetje in omogoči popravilo mišičnih vlaken v akutno poškodovani mišici. V svoji novi študiji je Mooneyjeva ekipa vprašala, ali lahko te kompresijske sile zaščitijo tudi pred izgubo mišic. Ko pa so neposredno primerjali stiskanje mišic prek prejšnje naprave z raztezanjem in krčenjem mišic prek naprave MAGENTA, je le slednja imela jasne terapevtske učinke v modelu mišje atrofije. "Obstaja velika verjetnost, da bi lahko različni mehki robotski pristopi s svojimi edinstvenimi učinki na mišično tkivo odprli mehanoterapevtske poti, specifične za bolezen ali poškodbo," je dejal Mooney.

Za nadaljnjo razširitev zmožnosti MAGENTA je ekipa raziskala, ali je mogoče vzmet SMA aktivirati tudi z lasersko svetlobo, kar prej ni bilo prikazano in bi v bistvu naredilo pristop brezžičen in razširilo njegovo terapevtsko uporabnost. Pravzaprav so pokazali, da lahko vsajena naprava MAGENTA brez električnih žic deluje kot svetlobno občutljiv aktuator in deformira mišično tkivo, ko je obsevana z lasersko svetlobo skozi zgornji sloj kože. Medtem ko laserska aktivacija ni dosegla istih frekvenc kot električna aktivacija in se je zdelo, da zlasti maščobno tkivo absorbira nekaj laserske svetlobe, raziskovalci verjamejo, da bi lahko prikazano svetlobno občutljivost in delovanje naprave še izboljšali. "Zaradi splošnih zmožnosti MAGENTE in dejstva, da je njeno sestavo mogoče zlahka spreminjati od milimetrov do nekaj centimetrov, bi lahko bila zanimiva kot osrednji element prihodnje mehanoterapije, ne le za zdravljenje atrofije, ampak morda tudi za pospeševanje regeneracije v koži, srcu in drugih mestih, ki bi lahko imela koristi od te oblike mehanotransdukcije," je dejal Nam.

»Naraščajoče spoznanje, da lahko mehanoterapije obravnavajo kritične neizpolnjene potrebe v regenerativni medicini na načine, ki jih terapije, ki temeljijo na zdravilih, preprosto ne morejo, je spodbudilo novo področje raziskav, ki povezuje robotske inovacije s človeško fiziologijo vse do ravni molekularnih signalnih poti, ki prenašajo druge mehanske dražljaje,« je dejal ustanovitveni direktor Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D. "Ta študija, ki so jo izvedli Dave Mooney in njegova skupina, je zelo eleganten in pionirski primer, kako bi to vrsto mehanoterapije lahko klinično uporabljali v prihodnosti." Ingber je tudi profesor vaskularne biologije Judah Folkman na medicinski šoli Harvard in otroški bolnišnici v Bostonu ter profesor bioinspiriranega inženirstva Hansjörga Wyssa na SEAS.

Drugi avtorji študije so Bo Ri Seo, Alexander Najibi in Stephanie McNamara iz Mooneyjeve skupine na inštitutu Wyss in SEAS. Študijo so financirali Nacionalni inštitut za zobozdravstvene in kraniofacialne raziskave (številka nagrade R01DE013349), Nacionalni inštitut Eunice Kennedy Shriver za zdravje otrok in človeški razvoj (številka nagrade P2CHD086843) in Center za raziskave materialov in inženiring Nacionalne znanstvene fundacije na Univerzi Harvard (številka nagrade DMR14-20570).

Vir:

Inštitut Wyss za biološko navdahnjeno inženirstvo na Harvardu

Referenca:

Nam, S., et al. (2022) Aktivno tkivno lepilo aktivira mehanosenzorje in preprečuje izgubo mišic. Naravni materiali. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.