Tarafından
Kas atrofisi, kas kütlesinin ve gücünün kaybı veya kaybıdır. Kullanılmaması sonucu ortaya çıkabilir veya bazı nörolojik bozuklukların bir belirtisi olabilir. Atrofi, hareketliliğin azalmasına, işlev bozukluğuna ve yaşam kalitesinin düşmesine neden olabilir.
Kasları esnemeye ve kasılmaya teşvik edebilen bir yapıştırıcı geliştirildi ve kas atrofisini önleme ve iyileşmeyi sağlama potansiyeline sahip.
Kaslar, bir uzuv alçıda hareketsiz kaldığında veya insanlar yaşlandıkça kademeli olarak hareketsiz kaldığında olduğu gibi, egzersiz eksikliği nedeniyle zayıflayabilir ve boşa gidebilir. Kas atrofisi olarak bilinen bu durum, ALS ve MS gibi nörolojik bozuklukların bir sonucu olarak veya kanser ve diyabet gibi bazı hastalıklara bir yanıt olarak da ortaya çıkabilir.
Manuel veya mekanik teknikler kullanan bir terapi türü olan mekanoterapinin doku onarımına yardımcı olma potansiyeline sahip olduğuna inanılmaktadır. Kasları gevşetmek için sıkıştırıcı stimülasyon kullanan masaj, mekanoterapinin en bilinen şeklidir, ancak kasları harici yollarla germenin ve kasmanın da bir tedavi olarak etkili olup olmayacağı açık değildir. Bu olasılığı incelemenin önünde iki büyük engel vardı: germe ve kasılma kuvvetlerini tüm uzunlukları boyunca kaslara eşit şekilde uygulayabilen mekanik sistemlerin eksikliği ve bu mekanik uyaranların kas dokusunun yüzeyine ve daha derin katmanlarına verimsiz bir şekilde iletilmesi.
Bu görüntü, bir “şekil hafızalı alaşım” yay ve bir elastomer ile üretilen MAGENTA prototiplerinin örneklerini ve boyutlarının bir sentlik madeni parayla nasıl karşılaştırıldığını gösterir. Kredi: Harvard Üniversitesi’ndeki Wyss Enstitüsü
Şimdi, Harvard Üniversitesi’ndeki Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering’deki biyomühendisler ve Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndaki (SEAS), yumuşak bir robotik cihaz olarak işlev gören ve bu iki sorunu çözen MAGENTA adlı mekanik olarak aktif bir yapıştırıcı geliştirdiler. -kat sorunu. Bir hayvan modelinde MAGENTA, kas atrofisinden kurtulmayı başarıyla engelledi ve destekledi. Ekibin bulguları yayınlandı Doğa Malzemeleri.
Kıdemli yazar ve Wyss Kurucu Çekirdek Öğretim Üyesi Ph.D. David Mooney, “MAGENTA ile, büyüme için temel moleküler yolları tetiklemek üzere doğrudan kas dokusuna yerleştirilebilen, kasın mekanostimülasyonu için yeni bir entegre çok bileşenli sistem geliştirdik” dedi. . “Çalışma, harici olarak sağlanan germe ve kasılma hareketlerinin bir hayvan modelinde atrofiyi önleyebileceğine dair ilk kavram kanıtını sağlarken, cihazın temel tasarımının, atrofinin önemli bir sorun olduğu çeşitli hastalık ortamlarına geniş çapta uyarlanabileceğini düşünüyoruz.” Mooney, Wyss Enstitüsü’nün İmmüno-Malzemeler Platformunu yönetiyor ve aynı zamanda SEAS’ta Robert P. Pinkas Ailesi Biyomühendislik Profesörü.
Kasları hareket ettirebilen bir yapıştırıcı
MAGENTA’nın ana bileşenlerinden biri, “şekil hafızası” olarak bilinen bir metal türü olan nitinolden yapılmış tasarlanmış bir yaydır.[{” attribute=””>alloy” (SMA) that enables MAGENTA’s rapid actuation when heated to a certain temperature. The researchers actuated the spring by electrically wiring it to a microprocessor unit that allows the frequency and duration of the stretching and contraction cycles to be programmed. The other components of MAGENTA are an elastomer matrix that forms the body of the device and insulates the heated SMA, and a “tough adhesive” that enables the device to be firmly adhered to muscle tissue.
In this way, the device is aligned with the natural axis of muscle movement, transmitting the mechanical force generated by SMA deep into the muscle. Mooney’s group is advancing MAGENTA, which stands for “mechanically active gel-elastomer-nitinol tissue adhesive,” as one of several Tough Gel Adhesives with functionalities tailored to various regenerative applications across multiple tissues.
After designing and assembling the MAGENTA device, the team tested its muscle-deforming potential, first in isolated muscles ex vivo and then by implanting it on one of the major calf muscles of mice. The device did not induce any serious signs of tissue inflammation and damage and exhibited a mechanical strain of about 15% on muscles, which matches their natural deformation during exercise.
Next, to evaluate its therapeutic efficacy, the researchers used an in vivo model of muscle atrophy by immobilizing a mouse’s hind limb in a tiny cast-like enclosure for up to two weeks after implanting the MAGENTA device on it. “While untreated muscles and muscles treated with the device but not stimulated significantly wasted away during this period, the actively stimulated muscles showed reduced muscle wasting,” said first-author and Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam, Ph.D. “Our approach could also promote the recovery of muscle mass that already had been lost over a three-week period of immobilization, and induce the activation of the major biochemical mechanotransduction pathways known to elicit protein synthesis and muscle growth.”
Facets of mechanotherapy
In a previous study, Mooney’s group in collaboration with Wyss Associate Faculty member Conor Walsh’s group found that regulated cyclical compression (as opposed to stretching and contraction) of acutely injured muscles, using a different soft robotic device, reduced inflammation and enabled the repair of muscle fibers in acutely injured muscle. In their new study, Mooney’s team asked whether those compressive forces could also protect from muscle atrophy. However, when they directly compared muscle compression via the previous device to muscle stretching and contraction via the MAGENTA device, only the latter had clear therapeutic effects in the mouse atrophy model.
“There is a good chance that distinct soft robotic approaches with their unique effects on muscle tissue could open up disease or injury-specific mechano-therapeutic avenues,” said Mooney.
To further expand the possibilities of MAGENTA, the team explored whether the SMA spring could also be actuated by laser light, which had not been shown before and would make the approach essentially wireless, broadening its therapeutic usefulness. Indeed, they demonstrated that an implanted MAGENTA device without any electric wires could function as a light-responsive actuator and deform muscle tissue when irradiated with laser light through the overlying skin layer. While laser actuation did not achieve the same frequencies as electrical actuation, and especially fat tissue seemed to absorb some laser light, the researchers think that the demonstrated light sensitivity and performance of the device could be further improved.
“The general capabilities of MAGENTA and the fact that its assembly can be easily scaled from millimeters to several centimeters could make it interesting as a central piece of future mechanotherapy not only to treat atrophy, but perhaps also to accelerate regeneration in the skin, heart, and other places that might benefit from this form of mechanotransduction,” said Nam.
“The growing realization that mechanotherapy can address critical unmet needs in regenerative medicine in ways that drug-based therapies simply cannot, has stimulated a new area of research that connects robotic innovations with human physiology down to the level of the molecular pathways that are transducing different mechanical stimuli,” said Wyss Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.D. “This study by Dave Mooney and his group is a very elegant and forward-looking example of how this type of mechanotherapy could be used clinically in the future.” Ingber is also the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at Harvard Medical School and Boston Children’s Hospital, and the Hansjörg Wyss Professor of Bioinspired Engineering at SEAS.
Reference: “Active tissue adhesive activates mechanosensors and prevents muscle atrophy” by Sungmin Nam, Bo Ri Seo, Alexander J. Najibi, Stephanie L. McNamara and David J. Mooney, 10 November 2022, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-022-01396-x
The study was funded by the National Institute of Dental and Craniofacial Research, the Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, and the National Science Foundation’s Materials Research Science and Engineering Center at Harvard University.