机械活性粘合剂可预防并支持肌肉萎缩的恢复

机械活性粘合剂可预防并支持肌肉萎缩的恢复

由于运动太少而导致肌肉萎缩，这种情况在用石膏固定的断肢中很快就会发生，而在高龄人群中则发生得更慢。 临床医生所说的肌肉萎缩也是患有肌萎缩侧索硬化症（ALS）和多发性硬化症（MS）等神经系统疾病患者的一种衰​​弱症状，并且可能是对各种其他疾病（包括癌症和糖尿病）的全身反应。

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

机械疗法是一种手动或机械形式的治疗方法，被认为具有广泛的组织修复潜力。 最著名的例子是按摩，通过压力刺激来放松肌肉。 然而，目前尚不清楚通过外部手段拉伸和收缩肌肉是否也可以作为一种治疗方法。 迄今为止，两大挑战阻碍了此类研究：能够沿着肌肉长度均匀产生拉伸和收缩力的机械系统有限，以及将这些机械刺激传递到肌肉组织表面和深层的效率低下。

现在，哈佛大学维斯仿生工程研究所和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的生物工程师开发了一种名为 MAGENTA 的机械活性粘合剂，它可以充当软机器人设备并解决这两个问题 - 折叠问题。 在动物模型中，MAGENTA 成功预防并促进肌肉萎缩的恢复。 该团队的研究结果发表在《自然材料》上。

通过 MAGENTA，我们开发了一种用于肌肉机械刺激的新型集成多组件系统，该系统可以直接应用于肌肉组织，以触发生长的关键分子信号通路。 虽然这项研究首次证明了外部传递的拉伸和收缩运动可以防止动物模型中的萎缩，但我们相信该设备的核心设计可以广泛适应以萎缩为主要问题的各种疾病环境。”

David Mooney 博士，资深作者，Wyss 创始核心教员成员

Mooney 领导 Wyss 研究所的免疫材料平台，同时也是 SEAS 生物工程的 Robert P. Pinkas 家族教授。

可以移动肌肉的粘合剂

MAGENTA 的主要部件之一是由镍钛诺制成的工程弹簧，镍钛诺是一种被称为“形状记忆合金”(SMA) 的金属，它使得 MAGENTA 在加热到一定温度时能够快速激活。 研究人员通过将弹簧连接到微处理器单元来激活弹簧，该微处理器单元可以对膨胀和收缩周期的频率和持续时间进行编程。 MAGENTA 的其他组件是形成设备主体并隔离加热的 SMA 的弹性体基质，以及使设备牢固地附着在肌肉组织上的“坚韧粘合剂”。 通过这种方式，该装置与肌肉运动的自然轴对齐，并将 SMA 产生的机械力传输到肌肉深处。 Mooney 的团队正在开发 MAGENTA，它代表“机械活性凝胶弹性体镍钛诺组织粘合剂”，作为几种坚韧的凝胶粘合剂之一，其功能适合多种组织的各种再生应用。

在开发和组装 MAGENTA 装置后，研究小组测试了其肌肉变形的潜力，首先在离体分离的肌肉中，然后植入小鼠的主要小腿肌肉之一。 该装置没有引起严重的组织炎症和损伤迹象，并且对肌肉产生了约 15% 的机械应力，这与运动过程中肌肉的自然变形一致。

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为了评估治疗效果，研究人员接下来使用肌肉萎缩的体内模型，在植入 MAGENTA 装置后将小鼠的后肢固定在一个微小的石膏状外壳中长达两周。 主要作者、Wyss 技术开发研究员 Sungmin Nam 博士表示：“虽然未经治疗的肌肉和接受设备治疗但未刺激的肌肉在此期间显着消失，但主动刺激的肌肉显示出较少的肌肉损失。” “我们的方法还可以促进三周固定期间已经损失的肌肉质量的恢复，并诱导已知可诱导蛋白质合成和肌肉生长的关键生化机械传导途径的激活。

机械疗法的各个方面

在之前的一项研究中，Mooney 的团队与 Wyss 副教员 Conor Walsh 的团队合作，发现使用另一种软机器人设备对急性损伤的肌肉进行调节循环压缩（而不是拉伸和收缩）可以减少炎症，并能够修复急性损伤的肌肉中的肌纤维。 在他们的新研究中，穆尼的团队询问这些压缩力是否也可以防止肌肉损失。 然而，当他们直接比较之前装置的肌肉压缩与 MAGENTA 装置的肌肉拉伸和收缩时，只有后者在小鼠萎缩模型中具有明显的治疗效果。 穆尼说：“不同的软机器人方法及其对肌肉组织的独特作用，很有可能开辟针对疾病或损伤的机械治疗途径。”

为了进一步扩展 MAGENTA 的功能，该团队研究了 SMA 弹簧是否也可以被激光激活，这在之前从未被展示过，并且基本上可以使该方法无线化并扩展其治疗效用。 事实上，他们表明，没有电线的植入式 MAGENTA 装置可以充当光敏执行器，当激光穿过覆盖的皮肤层照射时，可使肌肉组织变形。 虽然激光激活没有达到与电激活相同的频率，特别是脂肪组织似乎吸收了一些激光，但研究人员相信该设备所展示的光敏感性和性能可以进一步提高。 Nam 说：“MAGENTA 的一般功能以及其组装可以轻松地从毫米扩展到几厘米这一事实，可能使其成为未来机械疗法的核心元素，不仅可以用于治疗萎缩，还可以加速皮肤、心脏和其他可能受益于这种形式的机械转导的部位的再生。”

Wyss 创始董事 Donald Ingber 博士表示：“人们越来越认识到，机械疗法可以以药物疗法无法满足的方式解决再生医学中未满足的关键需求，这激发了一个新的研究领域，将机器人创新与人类生理学连接起来，直至传递其他机械刺激的分子信号通路水平。” “戴夫·穆尼和他的团队的这项研究是一个非常优雅和开创性的例子，说明了这种类型的机械疗法如何在未来临床上使用。” Ingber 也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学 Judah Folkman 教授以及 SEAS 仿生工程 Hansjörg Wyss 教授。

该研究的其他作者包括来自 Wyss 研究所和 SEAS 穆尼小组的 Bo Ri Seo、Alexander Najibi 和 Stephanie McNamara。 该研究由美国国家牙科和颅面研究所（奖励号 R01DE013349）、尤尼斯·肯尼迪·施赖弗国家儿童健康和人类发展研究所（奖励号 P2CHD086843）和哈佛大学国家科学基金会材料研究科学与工程中心（奖励号 DMR14-20570）资助。

来源：

哈佛大学维斯仿生工程研究所

参考：

Nam，S.，等人。 (2022) 活性组织粘合剂可激活机械传感器并防止肌肉损失。 天然材料。 doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x 。

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