活性组织粘合剂激活了机械感应器并防止肌肉萎缩

哈佛大学威斯生物激励工程研究所和哈佛约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程师们开发了一种名为MAGENTA的机械活性粘合剂，它的功能是一种柔软的机器人设备，能够从外部拉伸和收缩肌肉。在动物模型中，MAGENTA成功地防止和支持肌肉萎缩的恢复。该团队的研究结果发表在《自然材料》杂志上。

　　

   

   

图片:这张图片展示了用“形状记忆合金”弹簧和弹性体制作的MAGENTA原型的例子，以及它们与一美分硬币的尺寸对比。    

图片来源:哈佛大学威斯研究所

由于缺乏锻炼，肌肉会消耗殆尽，就像用石膏固定住的断肢会很快消耗殆尽，而在上了年纪的人身上消耗得更慢。临床医生将这种现象称为肌肉萎缩，它也是神经系统疾病(如肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和多发性硬化症(MS))患者的一种衰弱症状，也可能是对包括癌症和糖尿病在内的各种其他疾病的系统性反应。

机械疗法，一种通过手工或机械手段进行的治疗形式，被认为在组织修复方面具有广泛的潜力。最著名的例子是按摩，它通过压缩刺激肌肉来放松肌肉。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，目前还不太清楚。到目前为止，有两大挑战阻碍了这类研究:一是机械系统有限，不能均匀地沿肌肉长度产生拉伸和收缩力，二是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，生物工程师开发了一种名为MAGENTA的机械活性粘合剂，它的功能相当于一个软机器人设备，解决了这个双重问题。在动物模型中，MAGENTA成功地防止和支持肌肉萎缩的恢复。该团队的研究结果发表在自然材料．

“通过MAGENTA，我们开发了一种新的综合多组分系统，用于肌肉的机械刺激，可以直接放在肌肉组织上，触发生长的关键分子通路。”资深作者兼Wyss创始核心教师David Mooney博士说:“虽然这项研究首次证明了外部提供的拉伸和收缩运动可以防止动物模型中的萎缩，但我们认为，该设备的核心设计可以广泛适用于各种疾病环境，在这些疾病中萎缩是一个主要问题。”Mooney领导着Wyss研究所的免疫材料平台，同时也是生物工程学院Robert P. Pinkas家族教授。

一种能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，它能使MAGENTA在加热到一定温度时快速驱动。研究人员通过将弹簧连接到一个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周期的频率和持续时间进行编程。MAGENTA的其他组成部分是构成设备主体的弹性体基质，并将受热的SMA绝缘，以及使设备牢固地粘附在肌肉组织上的“韧性粘合剂”。这样，装置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。穆尼的团队正在推进MAGENTA，它的意思是“机械活性凝胶弹性体-镍钛诺组织粘合剂”，作为多种韧性凝胶粘合剂之一，它的功能适合跨多个组织的各种再生应用。

在设计和组装MAGENTA设备后，该团队首先在孤立的肌肉中测试了它的肌肉变形潜力体外然后把它植入老鼠的一个主要小腿肌肉上。该装置没有引起任何严重的组织炎症和损伤迹象，并显示肌肉的机械张力约为15%，与运动时的自然变形相符。

接下来，为了评估它的治疗效果，研究人员使用了一种在活的有机体内在植入MAGENTA装置后，将老鼠的后肢固定在一个小型的类似铸模的外壳中长达两周，从而建立了一个肌肉萎缩的模型。第一作者、Wyss技术开发研究员说:“在这段时间里，未经处理的肌肉和接受设备治疗但未受到明显刺激的肌肉消瘦了，而积极受到刺激的肌肉消瘦了。“我们的方法还可以促进在三周的固定期间失去的肌肉质量的恢复，并诱导主要生化机械转导通路的激活，已知可诱导蛋白质合成和肌肉生长。”

机械疗法的几个方面  

穆尼的团队与威斯学院副教授康纳·沃尔什的团队合作发现，使用不同的软机器人设备，调节急性损伤肌肉的周期性压缩(而不是拉伸和收缩)，减少了炎症，并使急性损伤肌肉的肌肉纤维修复成为可能。在他们的新研究中，穆尼的团队询问这些压缩力是否也可以防止肌肉萎缩。然而，当他们直接比较肌肉压缩时通过前一装置用于肌肉的拉伸和收缩通过MAGENTA装置，只有后者对小鼠萎缩模型有明显的治疗作用。穆尼说:“利用对肌肉组织具有独特效果的独特软机器人方法，很有可能开辟针对疾病或损伤的特定机械治疗途径。”

为了进一步扩大MAGENTA的可能性，该团队探索了SMA弹簧是否也可以由激光驱动，这是以前从未展示过的，这将使方法基本上是无线的，扩大其治疗用途。事实上，他们证明，植入的MAGENTA设备不需要任何电线，就可以作为光响应驱动器，当激光照射穿过上面的皮肤层时，可以使肌肉组织变形。虽然激光驱动不能达到与电驱动相同的频率，特别是脂肪组织似乎吸收了一些激光，但研究人员认为，该设备的光灵敏度和性能可以进一步提高。Nam说:“MAGENTA的一般功能和它的组装可以很容易地从毫米扩展到几厘米的事实，使它成为未来机械疗法的一个有趣的中心部件，不仅可以治疗萎缩，而且可能还可以加速皮肤、心脏和其他可能从这种机械传导形式中受益的地方的再生。”

Wyss创始人说:“越来越多的人认识到，机械疗法可以解决再生医学中关键的未满足的需求，而基于药物的治疗根本无法实现，这刺激了一个新的研究领域，将机器人创新与人类生理学连接到传递不同机械刺激的分子通路水平。“戴夫·穆尼和他的团队的这项研究是一个非常优雅和前瞻性的例子，说明了这种类型的机械疗法在未来可以用于临床。”英格贝尔也是Judah Folkman血管生物学教授在哈佛医学院和波士顿儿童医院，还有Hansj?rg Wyss生物激励工程教授在海洋。

这项研究的其他作者是来自维斯研究所和SEAS穆尼团队的Bo Ri Seo、Alexander Najibi和Stephanie McNamara。该研究由美国国立牙科和颅面研究所(奖项# R01DE013349)、Eunice Kennedy Shriver国家儿童健康和人类发展研究所(奖项# P2CHD086843)和美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心(奖项# DMR14-20570)资助。

原文标题：

Antibiotic combinations reduce Staphylococcus aureus clearance