浪费的肌肉建得更好

(BOSTON)- 肌肉由于没有得到足够的锻炼而萎缩，就像被石膏固定的断肢一样，很快就会发生，而在达到高龄的人身上则更慢。肌肉萎缩是临床医生对这种现象的称呼，也是神经系统疾病患者的一种衰弱症状，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)和多发性硬化症(MS)，并且可能是其他各种疾病的系统反应，包括癌症和糖尿病。

机械疗法是一种通过手工或机械手段进行的治疗，被认为对组织修复具有广泛的潜力。最著名的例子是按摩，它对肌肉施加压迫性刺激，使其放松。然而，通过外部手段拉伸和收缩肌肉是否也能成为一种治疗方法，这一点还不太清楚。到目前为止，两大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机械系统有限，以及将这些机械刺激传递到表面和肌肉组织深层的效率不高。

现在，哈佛大学怀斯生物启发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)的生物工程师们开发了一种名为MAGENTA的机械活性粘合剂，它作为一种软体机器人装置，解决了这一双重问题。在一个动物模型中，MAGENTA成功地防止和支持了肌肉萎缩的恢复。该团队的研究结果发表在《自然材料》上。

"通过MAGENTA，我们开发了一个新的综合多组件系统，用于肌肉的机械刺激，可以直接放在肌肉组织上，以触发关键的分子途径来促进生长，"资深作者和Wyss创始核心教师David Mooney博士说。"虽然该研究首次提供了概念证明，即外部提供的拉伸和收缩运动可以防止动物模型的萎缩，但我们认为该设备的核心设计可以广泛适用于萎缩是一个主要问题的各种疾病环境。" Mooney领导Wyss研究所的免疫材料平台，也是SEAS的Robert P. Pinkas家族生物工程教授。

一种能使肌肉运动的粘合剂

MAGENTA的主要部件之一是一个由镍钛合金制成的工程弹簧，这是一种被称为 "形状记忆合金"(SMA)的金属，它使MAGENTA在加热到一定温度时能够快速启动。研究人员通过将弹簧与一个微处理器单元进行电气连接来驱动它，该单元允许对拉伸和收缩周期的频率和时间进行编程。MAGENTA的其他组成部分是一种弹性基质，它构成了设备的主体并使加热的SMA绝缘，还有一种 "坚韧的粘合剂"，使设备能够牢固地粘在肌肉组织上。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。 穆尼的研究小组正在推进MAGENTA，它代表着 "机械活性凝胶-弹性体-硝化甘油组织粘合剂"，是几种具有针对多种组织的各种再生应用功能的强韧凝胶粘合剂之一。

在设计和组装了MAGENTA装置后，该团队测试了它的肌肉变形潜力，首先是在离体的肌肉中，然后将其植入小鼠的一块主要小腿肌肉。该装置没有诱发任何严重的组织炎症和损伤迹象，并在肌肉上表现出约15%的机械应变，这与运动期间的自然变形相吻合。

接下来，为了评估其疗效，研究人员使用了一个肌肉萎缩的体内模型，在将MAGENTA设备植入小鼠的后肢后，将其固定在一个微小的石膏状围栏中长达两周。""虽然未经处理的肌肉和用该设备处理但未受刺激的肌肉在这一时期明显消瘦，但积极受刺激的肌肉显示出肌肉消瘦的减少，"第一作者、怀斯技术开发研究员Sungmin Nam博士说，"我们的方法还可以促进在三周的固定期间已经损失的肌肉质量的恢复，并诱导激活已知引起蛋白质合成和肌肉生长的主要生物化学机械传导途径。

机械治疗的各个方面

在之前的研究中，Mooney小组与怀斯大学副教授Conor Walsh小组合作发现，使用不同的软体机器人设备对急性损伤的肌肉进行规范的周期性压缩(而不是拉伸和收缩)，可以减少炎症并使急性损伤的肌肉纤维得到修复。在他们的新研究中，穆尼的团队询问这些压缩力是否也能保护肌肉萎缩。然而，当他们直接比较通过以前的设备进行的肌肉压缩和通过MAGENTA设备进行的肌肉拉伸和收缩时，只有后者对小鼠萎缩模型有明显的治疗效果。"穆尼说："有一个很好的机会，不同的软体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的机械治疗途径。

为了进一步扩大MAGENTA的可能性，该团队探索了SMA弹簧是否也能被激光驱动，这在以前没有显示过，并将使该方法基本上是无线的，扩大了其治疗用途。事实上，他们证明了一个没有任何电线的植入式MAGENTA装置可以作为一个光反应致动器发挥作用，并在用激光穿过覆盖的皮肤层照射时使肌肉组织变形。虽然激光致动没有达到与电致动相同的频率，特别是脂肪组织似乎吸收了一些激光，但研究人员认为，所展示的光敏感性和该设备的性能可以进一步提高。"Nam说："MAGENTA的一般能力，以及它的组件可以很容易地从几毫米扩展到几厘米的事实，可以使它作为未来机械疗法的核心部分，不仅用于治疗萎缩，而且还可能用于加速皮肤、心脏和其他可能受益于这种机械传导形式的地方的再生。

"怀斯基金会理事长、医学博士Donald Ingber说："人们越来越认识到，机械疗法可以解决再生医学中未得到满足的关键需求，而基于药物的疗法根本无法做到，这刺激了一个新的研究领域，将机器人创新与人类生理学联系起来，直至传递不同机械刺激的分子途径水平。戴夫-穆尼和他的研究小组的这项研究是一个非常优雅和前瞻性的例子，说明这种类型的机械疗法在未来可以用于临床。" 英伯也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学的Judah Folkman教授，以及SEAS生物启发工程的Hansjörg Wyss教授。

该研究的其他作者有Bo Ri Seo、Alexander Najibi和Stephanie McNamara，他们来自Mooney在Wyss研究所和SEAS的小组。该研究由国家牙科和颅面研究所(奖号R01DE013349)、尤尼斯-肯尼迪-施莱佛国家儿童健康和人类发展研究所(奖号P2CHD086843)和国家科学基金会哈佛大学材料研究科学和工程中心(奖号DMR14-20570)资助。