PNAS开辟再生医学新范式

近期，Wyss研究所和哈佛大学工程与应用科学学院的一个研究小组发现，机械驱动的疗法——通过直接物理刺激促进骨骼肌再生，有望取代或提高药物与细胞为基础的再生疗法。这一研究成果发表在1月25日的《PNAS》杂志。

　　

生物通报道：力学生物学领域的研究人员，通过揭示“身体的物理力和力学如何影响发育、生理健康以及疾病预防和治疗”，正在加深我们对于健康的理解。哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的工程师和生物医学科学家团结协作，有助于将这一令人兴奋的研究领域推向实际应用。现在，Wyss研究所和哈佛大学工程与应用科学学院的一个研究小组发现，机械驱动的疗法——通过直接物理刺激促进骨骼肌再生，有望取代或提高药物与细胞为基础的再生疗法。这一研究成果发表在1月25日的《PNAS》杂志。

本文资深作者、哈佛大学生物工程师David Mooney博士指出：“化学往往支配着我们思考医学的方式，但很显然，物理和力学因素在生物学调节中起着非常重要的角色。我们这项新研究的结果表明，直接的物理和机械干预可以影响生物学过程，并有可能被用来提高临床疗效。”

在人类中，多达一半的体重是由骨骼肌组成的，在运动、姿势和呼吸中起着关键的作用。虽然骨骼肌无需干预就可以克服轻微的撕裂和擦伤，但是，机动车事故造成的主要常见损伤、其他创伤或神经损伤，可导致广泛的瘢痕、纤维组织和肌肉功能丧失。

该研究团队将肌肉损伤和后肢缺血的小鼠模型相结合，来探讨两种潜在的力学疗法：植入式磁性生物凝胶和外部的软机械加压袖带。为了缓解严重的肌肉损伤，该研究团队植入一种磁化凝胶，被称为“双相磁性凝胶（biphasic ferrogel）”，因此它能与受损的组织直接接触。另一个小鼠实验组没有接受磁性凝胶植入，而是配备了软机器人，在受伤的腿上放置了非侵入性的加压袖带。然后，磁性凝胶受到磁脉冲，将循环刺激应用到肌肉，而空气脉冲可让袖带周期性地按摩后腿。采用两种不同的方法，两组小鼠均在两个星期内接受了局部的机械扰动。

立即索取G:BOX凝胶成像系统的更多资料

研究人员发现，在为期两周的时间内，磁化凝胶或机器袖带提供的周期性机械刺激，都使肌肉再生发生了两倍半的改善，并减少了疤痕组织，最终使恢复的肌肉功能得以改善，并获得一个令人兴奋的新发现——肌肉的机械刺激可以促进再生。令他们吃惊的是，磁性凝胶植入加压袖带也造成了非常类似的再生，从而表明，使用无创压力袖带或设备，有望可以帮助治疗患有严重肌肉损伤的患者。

到目前为止，肌肉再生的多数方法一直是生物学的，依靠药物或细胞的使用。例如，2015年7月，来自中国医学科学院的研究人员证实，在小鼠中一种叫做miR-431的小RNA分子可以通过靶向Pax7来促进肌肉再生，改善肌营养不良。这一重要的研究发现发布《Nature Communications》杂志（中国医学科学院Nature子刊：促进再生的miRNA）。2014年12月，一项由美国国立卫生研究院提供部分经费、在大鼠中完成的研究显示，一种新的化合物在促进脊髓损伤后的功能修复中显示出非凡的前景。这一被研究人员命名为ISP的化合物使得超过80%的测试动物瘫痪的肌肉激活。这项重大的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上（Nature重大成果：瘫痪康复或指日可待）。

本文第一作者Christine Cezar博士指出：“我们发现，仅有机械性刺激不足以增强肌肉的修复，这些结果可以为新的非生物疗法、甚至是组合疗法打开大门，采用机械和生物干预来治疗严重受损骨骼肌。”

肌肉组织的直接刺激增加了氧气、营养物质、体液和废物从受损部位的运输，这些都是肌肉健康和修复的重要组成部分。据Mooney说，这项研究中最令人兴奋的一个方面是，与药物或细胞疗法相比，该成果以一种刺激装置的形式转化到临床上，可能相对比较快速。

将来，使用机械刺激来增强再生或减少疤痕或纤维化形成的原理，也可以应用于大范围的医疗设备，界面机械组件与人体组织接合。目前，临床设备往往是受到增厚组织的困扰，往往在机器和人的交叉点处形成。该小组计划探讨如何将这些调查结果从实验室转化到诊所。

Wyss研究所主任Donald Ingber是力学生物学领域的先驱和领先者，他指出：“这项工作清楚地表明，机械力跟化学物质和基因一样是重要的调节因子，并展现了开发机械疗法治疗损伤和疾病的巨大潜力。现在的挑战是，加快这一新的机械疗法的转化应用，有望对人类生活产生实际的影响。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Biologic-free mechanically induced muscle regeneration
Abstract: Severe skeletal muscle injuries are common and can lead to extensive fibrosis, scarring, and loss of function. Clinically, no therapeutic intervention exists that allows for a full functional restoration. As a result, both drug and cellular therapies are being widely investigated for treatment of muscle injury. Because muscle is known to respond to mechanical loading, we investigated instead whether a material system capable of massage-like compressions could promote regeneration. Magnetic actuation of biphasic ferrogel scaffolds implanted at the site of muscle injury resulted in uniform cyclic compressions that led to reduced fibrous capsule formation around the implant, as well as reduced fibrosis and inflammation in the injured muscle. In contrast, no significant effect of ferrogel actuation on muscle vascularization or perfusion was found. Strikingly, ferrogel-driven mechanical compressions led to enhanced muscle regeneration and a ∼threefold increase in maximum contractile force of the treated muscle at 2 wk compared with no-treatment controls. Although this study focuses on the repair of severely injured skeletal muscle, magnetically stimulated bioagent-free ferrogels may find broad utility in the field of regenerative medicine.