Исследователи в области механобиологии развивают наше понимание здоровья, открывая новые взгляды на то, как физические силы и механика тела влияют на развитие, физиологическое здоровье, а также профилактику и лечение заболеваний. В Институте биологической инженерии Висса при Гарвардском университете инженеры и ученые-биомедики собрались, чтобы сформировать совместные команды, которые помогают продвигать эту захватывающую область исследований к реальным приложениям. Новое исследование предполагает, что методы лечения с использованием механических средств, которые способствуют регенерации скелетных мышц посредством прямой физической стимуляции, однажды могут заменить или улучшить регенеративные методы лечения на основе лекарств и клеток. Обнаруженный группой из Института Висса и Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, открытие было опубликовано 25 января в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Химия имеет тенденцию доминировать в том, как мы думаем о медицине, но стало ясно, что физические и механические факторы играют очень важную роль в регулировании биологии," сказал биоинженер из Гарварда Дэвид Муни, доктор философии.D., старший автор нового исследования, который является членом основного факультета Института Висс и исследователем Роберта П. Семья Пинкасов, профессор биоинженерии в Гарварде Джон А. Школа Полсона инженерных и прикладных наук (SEAS). "Результаты нашего нового исследования демонстрируют, как прямое физическое и механическое вмешательство может повлиять на биологические процессы и потенциально может быть использовано для улучшения клинических результатов. "
Междисциплинарная команда, охватывающая платформы программируемых наноматериалов и биоинспирированной робототехники Института Висса, возглавлялась Муни, в нее также входил специалист по программным роботам Конор Уолш, доктор философии.D., который является членом факультета Wyss Core, доцентом кафедры механической и биомедицинской инженерии в Гарвардском SEAS и основателем Гарвардской лаборатории биодизайна, а также инженером-биомехаником Георгом Дуда, доктором философии.D., который является ассоциированным членом основного факультета Wyss, заместителем директора Берлинско-Бранденбургского центра регенеративной терапии (BCRT) и директором Института биомеханики и скелетно-мышечной регенерации им. Юлиуса Вольфа в Charité-Universitätsmedizin Berlin.
У людей до половины массы тела состоит из скелетных мышц, которые играют ключевую роль в передвижении, осанке и дыхании. Хотя скелетные мышцы могут преодолеть незначительные разрывы и синяки без вмешательства, серьезные травмы, обычно вызываемые автомобильными авариями, другими травмами или повреждением нервов, могут привести к обширным рубцам, фиброзной ткани и потере мышечной функции.
Команда применила комбинированные мышиные модели мышечного повреждения и ишемии задних конечностей, чтобы исследовать два возможных метода механотерапии: имплантированный магнитный биосовместимый гель и внешнюю мягкую роботизированную манжету под давлением. Чтобы облегчить тяжелые мышечные травмы, команда имплантировала намагниченный гель, называемый "двухфазный феррогель" так, чтобы он находился в прямом контакте с поврежденной тканью. Другая экспериментальная группа мышей не получила феррогелевый имплантат, а вместо этого была оснащена мягкой роботизированной неинвазивной герметичной манжетой на травмированной ноге. Затем феррогель подвергался воздействию магнитных импульсов для циклической стимуляции мышцы, в то время как импульсы воздуха позволяли манжете циклически массировать заднюю ногу. Обе группы получили две недели локализованного механического возмущения с использованием двух разных методов.
Исследователи обнаружили, что циклическая механическая стимуляция, обеспечиваемая либо намагниченным гелем, либо роботизированной манжетой, приводит к двукратному улучшению регенерации мышц и уменьшению рубцевания тканей в течение двух недель, что в конечном итоге приводит к улучшению восстановленного состояния. функция мышц и новое захватывающее открытие, что только механическая стимуляция мышц может способствовать регенерации. К их удивлению, феррогелевый имплант и герметичная манжета также привели к очень схожим уровням регенерации, предполагая, что использование неинвазивных герметизированных манжет или устройств однажды может помочь излечить пациентов, страдающих тяжелыми мышечными травмами.
"До сих пор большинство подходов к регенерации мышц были биологическими, основанными на использовании лекарств или клеток," сказала Кристин Сезар, доктор философии.D., ведущий автор исследования, завершившая докторскую диссертацию в Институте Висса и Гарвардском университете SEAS. "Наше открытие, что одной механической стимуляции достаточно для улучшения восстановления мышц, может открыть дверь для новых небиологических методов лечения или даже комбинаторных методов лечения, которые используют как механические, так и биологические вмешательства для лечения серьезно поврежденных скелетных мышц."
Прямая стимуляция мышечной ткани увеличивает транспортировку кислорода, питательных веществ, жидкостей и удаление отходов из места травмы, которые являются жизненно важными компонентами здоровья и восстановления мышц. И, по словам Муни, одним из самых захватывающих аспектов этого исследования является то, что его перевод в клинику в виде стимулирующего устройства может быть относительно быстрым по сравнению с лекарственной или клеточной терапией.
В будущем принцип использования механической стимуляции для усиления регенерации или уменьшения образования рубцов или фиброза также может быть применен к широкому спектру медицинских устройств, которые сопрягают механические компоненты с тканями тела. В настоящее время клинические устройства часто страдают от образования утолщенных тканевых капсул, которые образуются на пересечении машины и человека. Команда планирует изучить, как результаты могут быть перенесены из лаборатории в клинику.
"Эта работа ясно демонстрирует, что механические силы являются такими же важными биологическими регуляторами, как химические вещества и гены, и демонстрирует огромный потенциал разработки механотерапевтических методов лечения травм и болезней," сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, M.D., Ph.D., кто является пионером и лидером в области механобиологии. Ингбер также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы (HMS) и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице Джуды Фолкмана, а также профессором биоинженерии в Гарвардском университете SEAS. "Теперь задача состоит в том, чтобы продвинуть этот новый механотерапевтический подход от кабинета к постели больного, где может произойти реальное воздействие на человеческие жизни."