Mekaniskt aktivt lim förhindrar och stöder återhämtning från muskelatrofi

Mekaniskt aktivt lim förhindrar och stöder återhämtning från muskelatrofi

Muskelförtvining på grund av för lite träning, vilket sker snabbt i en bruten lem som är immobiliserad i gips, och långsammare hos personer i hög ålder. Muskelatrofi, som läkare hänvisar till fenomenet, är också ett försvagande symptom hos patienter som lider av neurologiska sjukdomar som amyotrofisk lateralskleros (ALS) och multipel skleros (MS), och kan vara ett systemiskt svar på olika andra sjukdomar, inklusive cancer och 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

Mekanoterapi, en manuell eller mekanisk form av terapi, anses ha en bred potential för vävnadsreparation. Det mest kända exemplet är massage, där musklerna slappnas av genom tryckstimulering. Det är dock mycket mindre klart om stretching och sammandragning av muskler med externa medel också kan vara en behandling. Hittills har två stora utmaningar förhindrat sådana studier: begränsade mekaniska system som kan generera sträck- och kontraktionskrafter jämnt längs musklernas längd, och ineffektiv leverans av dessa mekaniska stimuli till ytan och djupare lager av muskelvävnad.

Nu har bioingenjörer vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University och Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklat ett mekaniskt aktivt lim som heter MAGENTA som fungerar som en mjuk robotenhet och löser båda dessa problem – vikningsproblem. I en djurmodell förhindrade och främjade MAGENTA framgångsrikt återhämtning från muskelatrofi. Teamets resultat publiceras i Nature Materials.

Med MAGENTA har vi utvecklat ett nytt integrerat multikomponentsystem för muskelmekanostimulation som kan appliceras direkt på muskelvävnad för att trigga viktiga molekylära signalvägar för tillväxt. Medan studien ger det första beviset på att externt levererade sträck- och kontraktionsrörelser kan förhindra atrofi i en djurmodell, tror vi att enhetens kärndesign kan anpassas i stort till olika sjukdomsmiljöer där atrofi är ett stort problem."

David Mooney, Ph.D., senior författare och medlem av Wyss Founding Core Faculty

Mooney leder Wyss Institutes Immuno-Materials Platform och är även Robert P. Pinkas familjeprofessor i bioteknik vid SEAS.

Ett lim som kan röra muskler

En av MAGENTAs huvudkomponenter är en konstruerad fjäder gjord av Nitinol, en typ av metall som kallas "shape memory alloy" (SMA), som gör att MAGENTA kan aktiveras snabbt när den värms upp till en viss temperatur. Forskarna aktiverade fjädern genom att elektriskt koppla den till en mikroprocessorenhet som kan programmera frekvensen och varaktigheten av expansions- och kontraktionscyklerna. MAGENTAs övriga komponenter är en elastomer matris som bildar enhetens kropp och isolerar den uppvärmda SMA, och ett "tufft lim" som gör att enheten kan fästas ordentligt i muskelvävnaden. På detta sätt är enheten inriktad med muskelrörelsens naturliga axel och överför den mekaniska kraften som genereras av SMA djupt in i muskeln. Mooneys grupp utvecklar MAGENTA, som står för "mechanically active gel elastomer nitinol tissue adhesive", som ett av flera tuffa gellim med funktionaliteter skräddarsydda för olika regenerativa tillämpningar i flera vävnader.

Efter att ha utvecklat och monterat MAGENTA-enheten testade teamet dess muskeldeformerande potential, först i isolerade muskler ex vivo och sedan genom implantation i en av de viktigaste vadmusklerna hos möss. Enheten orsakade inga allvarliga tecken på vävnadsinflammation och skador och uppvisade en mekanisk belastning på musklerna på cirka 15 %, vilket överensstämmer med deras naturliga deformation under träning.

Omics e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en gratis kopia

För att utvärdera terapeutisk effektivitet använde forskarna sedan en in vivo-modell av muskelatrofi genom att immobilisera en muss bakben i ett litet, gipsliknande hölje i upp till två veckor efter implantation av MAGENTA-enheten. "Medan obehandlade muskler och muskler som behandlats med enheten men inte stimulerades avsevärt försvann under denna period, visade de aktivt stimulerade musklerna mindre muskelförlust", säger huvudförfattaren och Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam, Ph.D. "Vårt tillvägagångssätt kan också främja återhämtningen av muskelmassa som redan hade förlorats under en treveckorsperiod av immobilisering och inducera aktivering av viktiga biokemiska mekanotransduktionsvägar som är kända för att inducera proteinsyntes och muskeltillväxt.

Aspekter av mekanoterapi

I en tidigare studie fann Mooneys grupp, i samarbete med gruppen Conor Walsh, en Wyss Associate Faculty-medlem, att reglerad cyklisk kompression (i motsats till sträckning och sammandragning) av akut skadade muskler med hjälp av en annan mjuk robotenhet minskade inflammation och möjliggjorde reparation av muskelfibrer i den akut skadade muskeln. I sin nya studie frågade Mooneys team om dessa kompressionskrafter också kunde skydda mot muskelförlust. Men när de direkt jämförde muskelkompression via den tidigare enheten med muskelsträckning och kontraktion via MAGENTA-enheten, hade endast den senare tydliga terapeutiska effekter i musatrofimodellen. "Det finns en god chans att olika mjuka robotmetoder, med sina unika effekter på muskelvävnad, kan öppna upp sjukdoms- eller skadespecifika mekanoterapeutiska vägar," sa Mooney.

För att ytterligare utöka MAGENTAs kapacitet undersökte teamet om SMA-fjädern också kunde aktiveras av laserljus, vilket inte hade visats tidigare och i huvudsak skulle göra tillvägagångssättet trådlöst och utöka dess terapeutiska användbarhet. Faktum är att de visade att en implanterad MAGENTA-enhet utan elektriska ledningar kunde fungera som ett ljuskänsligt manöverdon och deformera muskelvävnad när den bestrålas med laserljus genom det överliggande hudlagret. Även om laseraktivering inte nådde samma frekvenser som elektrisk aktivering, och särskilt fettvävnad verkade absorbera en del laserljus, tror forskarna att enhetens påvisade ljuskänslighet och prestanda kan förbättras ytterligare. "MAGENTAs allmänna kapacitet och det faktum att dess montering lätt kan skalas från millimeter till flera centimeter kan göra det intressant som ett centralt element i framtida mekanoterapi, inte bara för att behandla atrofi utan kanske också för att accelerera regenerering i hud, hjärta och andra platser som kan dra nytta av denna form av mekanotransduktion," sa Nam.

"Den växande insikten att mekanoterapier kan tillgodose kritiska otillfredsställda behov inom regenerativ medicin på sätt som läkemedelsbaserade terapier helt enkelt inte kan har stimulerat ett nytt forskningsområde som kopplar robotinnovationer till mänsklig fysiologi ner till nivån av molekylära signalvägar som överför andra mekaniska stimuli", säger Wyss grundare, MD, Donald Ph.D. "Denna studie av Dave Mooney och hans grupp är ett mycket elegant och banbrytande exempel på hur denna typ av mekanoterapi kan användas kliniskt i framtiden." Ingber är också Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Boston Children's Hospital och Hansjörg Wyss professor i bioinspirerad teknik vid SEAS.

Andra författare till studien inkluderar Bo Ri Seo, Alexander Najibi och Stephanie McNamara från Mooneys grupp vid Wyss Institute och SEAS. Studien finansierades av National Institute of Dental and Craniofacial Research (utmärkelsenummer R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (utmärkelsenummer P2CHD086843) och Materials Research Science and Engineering Center vid National Science Foundation vid Harvard University (utmärkelsenummer DMR1704-205).

Källa:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard

Hänvisning:

Nam, S., et al. (2022) Aktivt vävnadslim aktiverar mekanosensorer och förhindrar muskelförlust. Naturmaterial. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.