哈佛大学发表Nature子刊：对抗肌肉衰弱

　　

由于没有充分锻炼，肌肉会浪费，这种情况很快发生在骨折的肢体被固定在石膏中，老年人骨折后愈合更慢。肌肉萎缩，即临床医生所指的这种现象，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，可能是对包括癌症和糖尿病在内的各种其他疾病的全身反应。

机械疗法，一种通过手动或机械手段进行的治疗，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能成为一种治疗手段，目前还不太清楚。

到目前为止，两大挑战阻碍了这类研究：有限的机械系统能够沿肌肉长度均匀地产生拉伸和收缩力，以及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，哈佛大学怀斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biological Inspected Engineering at Harvard University）和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的生物工程人员开发了一种名为MAGENTA的机械活性粘合剂，该粘合剂用作软机器人设备，解决了这一双重问题。在动物模型中，MAGENTA成功地预防和支持了肌肉萎缩的恢复。该小组的研究结果发表在《Nature Materials》杂志上。

资深作者兼Wyss创始核心教师David Mooney博士表示：“通过MAGENTA，我们开发了一种用于肌肉机械刺激的新型集成多组分系统，该系统可以直接放置在肌肉组织上，触发关键的生长分子通路。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萎缩是主要问题的各种疾病环境。”

 

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，当加热到一定温度时，能够使MAGENTA快速启动。研究人员通过将弹簧电连接到微处理器单元来启动弹簧，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的其他组成部分是一种弹性体基质，它构成了装置的主体并使加热的SMA绝缘，以及一种“坚韧的粘合剂”，使装置能够牢固地粘附到肌肉组织上。通过这种方式，该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。

 

Mooney的团队正在推进MAGENTA，MAGENTA代表“机械活性凝胶弹性体镍钛诺组织粘合剂”，是几种韧性凝胶粘合剂之一，其功能适合多种组织的各种再生应用。

 

在设计和组装MAGENTA装置后，该团队测试了其肌肉变形潜力，首先在离体分离的肌肉中，然后将其植入小鼠的一块主要小腿肌肉上。该装置没有引起任何严重的组织炎症和损伤迹象，并且在肌肉上表现出约15%的机械应变，这与它们在运动中的自然变形相匹配。

 

接下来，为了评估其治疗效果，研究人员使用了一个肌肉萎缩的体内模型，在植入MAGENTA装置后，将小鼠的后肢固定在一个小铸件状外壳中长达两周。第一作者和Wyss技术开发研究员Sungmin Nam博士表示：“虽然未经治疗的肌肉和用该设备治疗但未受刺激的肌肉在这段时间内明显消瘦，但积极刺激的肌肉显示出减少的肌肉消瘦。我们的方法还可以促进在三周的固定期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传导途径，以引发蛋白质合成和肌肉生长。”

 

在《科学转化医学》（Science Translational Medicine）上发表的一项研究中，Mooney的团队与怀斯学院副教授Conor Walsh的团队合作发现，通过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），可以减少炎症，并能够修复急性损伤肌肉中的肌肉纤维。

在他们的新研究中，Mooney的团队询问这些压力是否也能防止肌肉萎缩。然而，当他们直接将通过前一种装置的肌肉压缩与通过MAGENTA装置的肌肉拉伸和收缩进行比较时，只有后者在小鼠萎缩模型中具有明显的治疗效果。Mooney说：“很有可能，不同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专用的机械治疗途径。”。

 

为了进一步扩大MAGENTA的可能性，该团队探索了SMA弹簧是否也可以通过激光驱动，这在以前没有显示过，并将使该方法基本上无线，从而扩大其治疗用途。事实上，他们证明，没有任何电线的植入MAGENTA装置可以作为光响应致动器，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，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的一般功能以及它的组装可以很容易地从几毫米扩展到几厘米，这一事实可能会使它成为未来机械治疗的核心部分，不仅可以治疗萎缩，还可以加速皮肤、心脏和其他可能受益于这种机械转换的地方的再生。”

 

Wyss创始董事Donald Ingber博士表示：“越来越多的人认识到，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尚未满足的关键需求，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，一直到传递不同机械刺激的分子通路水平。”

 

“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同时也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Hansjörg Wyss生物工程教授。

 

参考文献：Sungmin Nam et al, Active tissue adhesive activates mechanosensors and prevents muscle atrophy, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01396-x

 

Bo Ri Seo et al, Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils, Science Translational Medicine (2021). DOI: 10.1126/scitranslmed.abe8868