帮助消耗肌肉更好地重建

肌肉因锻炼不足而浪费，如已固定在石膏中的断肢很快就会发生这种情况，而在达到高龄的人中则更慢。肌肉萎缩是临床医生对这种现象的称呼，也是患有神经系统疾病(如肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 和多发性硬化症 (MS))的患者的一种衰​​弱症状，并且可能是对包括癌症在内的各种其他疾病的全身反应和糖尿病。

机械疗法是一种通过手动或机械方式进行的治疗形式，被认为具有广泛的组织修复潜力。最著名的例子是按摩，它对肌肉施加压力刺激以使其放松。然而，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还不太清楚。

到目前为止，有两个主要挑战阻碍了此类研究：能够沿肌肉长度均匀产生拉伸和收缩力的有限机械系统，以及将这些机械刺激传递到表面和肌肉组织深层的效率低下。

现在，哈佛大学 Wyss 仿生工程研究所和哈佛约翰·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，它可以作为软机器人设备，解决这两个问题-折叠问题。在动物模型中，MAGENTA 成功预防并支持肌肉萎缩的恢复。该团队的研究结果发表在Nature Materials上。

“借助 MAGENTA，我们开发了一种新的集成多组件系统，用于肌肉机械刺激，可以直接放置在肌肉组织上，以触发关键的生长分子途径，”资深作者和 Wyss 创始核心教员 David Mooney 博士说.

“虽然这项研究提供了第一个概念验证，即外部提供的拉伸和收缩运动可以预防动物模型的萎缩，但我们认为该设备的核心设计可以广泛适应各种以萎缩为主要问题的疾病环境。” Mooney 领导 Wyss 研究所的免疫材料平台，也是 SEAS 生物工程的 Robert P. Pinkas 家族教授。

一种可以使肌肉运动的粘合剂

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，可在加热到一定温度时使 MAGENTA 快速启动。研究人员通过将弹簧连接到微处理器单元来驱动弹簧，该微处理器单元允许对拉伸和收缩循环的频率和持续时间进行编程。

MAGENTA 的其他成分是形成设备主体并绝缘加热的 SMA 的弹性体基质，以及使设备能够牢固地粘附在肌肉组织上的“坚韧粘合剂”。通过这种方式，该设备与肌肉运动的自然轴对齐，将 SMA 产生的机械力传递到肌肉深处。

Mooney 的小组正在推进 MAGENTA，它代表“机械活性凝胶-弹性体-镍钛诺组织粘合剂”，作为几种具有针对多种组织的各种再生应用而定制的功能的 Tough Gel Adhesive 之一。

MAGENTA 为目标组织提供机械刺激。学分：自然材料(2022 年)。DOI: 10.1038/s41563-022-01396-x

在设计和组装 MAGENTA 装置后，该团队测试了它的肌肉变形潜力，首先是在离体的孤立肌肉中，然后将其植入小鼠的主要小腿肌肉之一。该装置没有引起任何严重的组织炎症和损伤迹象，并且对肌肉表现出约 15% 的机械应变，这与它们在运动过程中的自然变形相匹配。

接下来，为了评估其治疗效果，研究人员使用了肌肉萎缩的体内模型，在将 MAGENTA 装置植入其上后，将小鼠的后肢固定在一个微小的铸件状外壳中长达两周。“虽然在此期间未经治疗的肌肉和用该装置治疗但未受到刺激的肌肉明显消瘦，但积极刺激的肌肉显示出肌肉消瘦减少，”第一作者和 Wyss 技术开发研究员 Sungmin Nam 博士说。

“我们的方法还可以促进在三周的固定时间内已经失去的肌肉质量的恢复，并诱导激活已知的主要生化机械转导途径，以引发蛋白质合成和肌肉生长。”

机械疗法的各个方面

在之前发表在《科学转化医学》杂志上的一项研究中，Mooney 的小组与 Wyss 副教员 Conor Walsh 的小组合作发现，使用不同的软机器人设备调节急性受伤肌肉的周期性压缩(而不是拉伸和收缩)，可以减少炎症和能够修复急性损伤肌肉中的肌肉纤维。

在他们的新研究中，穆尼的团队询问这些压力是否也可以防止肌肉萎缩。然而，当他们直接比较通过先前设备的肌肉压缩与通过 MAGENTA 设备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。“很有可能，独特的软机器人方法及其对肌肉组织的独特影响可以开辟疾病或损伤特异性的机械治疗途径，”穆尼说。

为了进一步扩大 MAGENTA 的可能性，该团队探索了 SMA 弹簧是否也可以由激光驱动，这在以前没有被展示过，并且将使该方法本质上是无线的，从而扩大其治疗用途。事实上，他们证明了一个没有任何电线的植入 MAGENTA 设备可以用作光响应致动器，并在激光照射通过覆盖的皮肤层时使肌肉组织变形。

虽然激光驱动没有达到与电驱动相同的频率，尤其是脂肪组织似乎吸收了一些激光，但研究人员认为，该设备的光灵敏度和性能可以进一步提高。

“MAGENTA 的一般能力以及它的组装可以很容易地从毫米扩展到几厘米的事实可能使它成为未来机械疗法的核心部分，不仅可以治疗萎缩，而且还可以加速皮肤、心脏和心脏的再生。其他可能从这种形式的机械转导中受益的地方，”Nam 说。

“人们越来越意识到机械疗法可以以药物疗法根本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，该领域将机器人创新与人类生理学联系起来，直至分子途径的水平，这些途径正在转化不同的机械刺激，”Wyss 创始董事 Donald Ingber 博士说。

“Dave Mooney 和他的团队的这项研究是一个非常优雅和前瞻性的例子，说明了这种机械疗法在未来如何应用于临床。” Ingber 还是哈佛医学院和波士顿儿童医院的 Judah Folkman 血管生物学教授，以及 SEAS 的仿生工程 Hansjörg Wyss 教授。

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