哈佛大学:按摩确实能帮助受伤的肌肉更快更强壮地愈合

【字体: 时间:2021年10月12日 来源:生物通

  

按摩感觉很好,但它们真的能加速肌肉恢复吗?事实证明,确实如此。Wyss研究所和哈佛大学工程与应用科学学院的科学家对受伤的小鼠腿部肌肉施加了精确、反复的力,发现它们比未经治疗的肌肉恢复得更强壮、更快,这可能是因为压力将导致炎症的细胞挤出肌肉组织。

哈佛Wyss生物灵感工程和SEAS研究所的研究人员使用定制设计的机器人系统向小鼠腿部肌肉提供一致且可调节的压缩力,发现这种机械负荷(ML)能迅速清除严重受损肌肉组织中的免疫细胞,称为中性粒细胞。这一过程还清除了肌肉中中性粒细胞释放的炎性细胞因子,增强了肌纤维再生过程。这项研究发表在《Science Translational Medicine.》上。

“许多人一直试图研究按摩和其他机械疗法对身体的有益影响,但到目前为止,还没有以系统的、可重复的方式进行,”第一作者Bo Ri Seo说,他是Wyss研究所和SEAS Dave Mooney实验室的博士后研究员。“我们的研究表明,机械刺激和免疫功能之间有着非常明确的联系。这有望再生包括骨骼、肌腱、头发和皮肤在内的多种组织,也可用于患有阻止使用药物干预的疾病的患者。”

更精细的按摩枪

Seo和她的合著者几年前开始探索机械疗法对小鼠损伤组织的影响,发现在两周的时间内,机械疗法可以使肌肉再生速度翻倍,减少组织疤痕。由于机械刺激本身就可以促进再生和增强肌肉功能,研究小组决定更深入地探究这一过程在体内的具体运作方式,并找出哪些参数可以最大限度地促进愈合。

他们与哈佛生物设计实验室(Harvard Biodesign Lab)的软机器人专家合作,在Wyss副教授Conor Walsh的带领下,开发了一种小型设备,使用传感器和执行器来监测和控制施加在小鼠肢体上的力。研究小组通过一个柔软的硅胶尖端对小鼠的腿部肌肉施力,并用超声波观察组织的反应。他们观察到肌肉承受了10%到40%的张力,证实了组织正在承受机械力。他们还利用这些超声成像数据开发并验证了一个计算模型,该模型可以预测不同加载力下的组织应变量。

“这种药物还可以广泛用于治疗各种皮肤病和肌腱再生。”

然后,他们对受伤的肌肉施加持续、反复的力量,持续14天。尽管经过治疗和未经治疗的肌肉都显示出受损肌纤维数量的减少,但在经过治疗的肌肉中,受损肌纤维数量的减少更为明显,并且纤维的横截面积更大,这表明治疗导致了更大的修复和力量恢复。治疗过程中施加的力越大,受伤的肌肉就越强壮,这证实了机械疗法可以改善受伤后的肌肉恢复。但是怎么做呢?

驱逐中性粒细胞以促进再生

为了回答这个问题,科学家们进行了详细的生物学评估,分析了未经治疗和治疗的肌肉中一系列称为细胞因子和趋化因子的炎症相关因子。经过三天的机械治疗后,治疗肌肉中的一部分细胞因子显著降低,这些细胞因子与称为中性粒细胞的免疫细胞的运动有关,中性粒细胞在炎症过程中起着许多作用。治疗后的肌肉组织中的中性粒细胞也少于未治疗的肌肉,这表明吸引它们的细胞因子的减少导致了中性粒细胞浸润的减少。

研究小组有一种预感,机械疗法施加在肌肉上的力有效地将中性粒细胞和细胞因子从受伤组织中挤出。他们通过将荧光分子注射到肌肉中,并观察到分子的运动在施力时更为显著,从而证实了这一理论,支持了这一观点,即荧光分子有助于冲洗肌肉组织。

为了区分中性粒细胞及其相关的细胞因子对再生肌纤维的影响,科学家们进行了体外研究,在这种研究中,他们在先前培养过中性粒细胞的培养基中培养了肌肉祖细胞(MPCs)。他们发现,MPCs的数量增加,但它们分化(发展成其他细胞类型)的速率降低,这表明中性粒细胞分泌因子刺激肌肉细胞的生长,但这些因子的长期存在会损害新肌纤维的生成。

“中性粒细胞已知能杀死和清除病原体和受损组织,但在这项研究中,我们确定了它们对肌肉祖细胞行为的直接影响,”第二作者斯蒂芬妮·麦克纳马拉(Stephanie McNamara)说,她曾是Wyss研究所的研究生,现在是哈佛医学院和文理研究生院的医学博士生。“虽然炎症反应对愈合初期的再生很重要,但同样重要的是,炎症应迅速消除,以使再生过程能够全程进行。”

Seo和她的同事随后回到他们的体内模型,分析了受伤14天后接受治疗的小鼠和未接受治疗的小鼠的肌纤维类型。他们发现,IIX型纤维在健康肌肉和治疗肌肉中普遍存在,但未治疗的受伤肌肉中IIX型纤维数量较少,IIA型纤维数量增加。这种差异解释了治疗肌肉的纤维尺寸增大和产生更大的力,因为IIX纤维比IIA纤维产生更多的力。

最后,研究小组通过在损伤后第三天耗尽小鼠体内的中性粒细胞,确定了损伤肌肉中中性粒细胞存在的最佳时间。与未经治疗的小鼠相比,经治疗的小鼠的肌肉显示出更大的纤维大小和更大的力量恢复,证实了尽管中性粒细胞在损伤恢复的早期阶段是必需的,但尽早将其从损伤部位取出可改善肌肉再生。

Walsh说:“这些发现非常显著,因为它们表明我们可以以无药物、无创的方式影响人体免疫系统的功能。Paul Maeder教授是一位经验丰富的海洋疾病诊断和治疗专家,也是一位从事海洋疾病诊断和治疗的专家。这为开发外部机械干预提供了巨大的动力,以帮助加速和改善肌肉和组织的愈合,并有可能迅速转化为临床。”

该团队正在实验室中通过多个项目继续调查这一研究路线。他们计划在大型动物中验证这种机械疗法方法,目的是能够测试其对人类的疗效。他们还希望在不同类型的损伤、与年龄相关的肌肉损失和肌肉性能增强方面进行测试。

“机械治疗和免疫治疗的领域很少相互作用,但这项工作证明了在研究和工作改善人类健康时考虑物理和生物元素是多么重要。”Mooney说。他是这篇论文的通讯作者,也是罗伯特·平卡斯(Robert P.Pinkas)海洋生物工程家庭教授。

原文检索:Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils

DOI: 10.1126/scitranslmed.abe8868

 

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