消瘦的肌肉能更好地恢复

机械疗法，一种通过手工或机械手段给予的治疗形式，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。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方法还不太清楚。到目前为止，有两个主要的挑战阻碍了此类研究: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，以及将这些机械刺激传递到肌肉表面和更深层次的效率低下。

现在，哈佛大学Wyss生物工程研究所和哈佛大学John a . Paulson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，它可以作为软机器人设备，解决了这个双重问题。在动物模型中，MAGENTA成功地预防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集成多成分系统，用于肌肉的机械刺激，可以直接放置在肌肉组织上，以触发生长的关键分子途径，”资深作者和Wyss创始核心教员David Mooney博士说。“虽然这项研究首次证明了外部拉伸和收缩运动可以防止动物模型的萎缩，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情况。”Mooney领导着Wyss研究所的免疫材料平台，同时也是Robert P. Pinkas家族生物工程教授。

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，这是一种被称为“形状记忆合金”(SMA)的金属，使MAGENTA在加热到一定温度时能够快速驱动。研究人员通过将弹簧电连接到一个微处理器单元来驱动弹簧，该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的其他组件是构成设备主体的弹性体矩阵，并将加热的SMA绝缘，以及使设备牢固地粘附在肌肉组织上的“坚韧粘合剂”。通过这种方式，该设备与肌肉运动的自然轴对齐，将SMA产生的机械力传输到肌肉深处。穆尼的团队正在开发MAGENTA，它代表“机械活性凝胶弹性体-镍钛合金组织粘合剂”，作为几种坚韧凝胶粘合剂之一，具有适合多种组织的各种再生应用的功能。

在设计和组装MAGENTA设备后，该团队首先在孤立的肌肉上测试了它的肌肉变形潜力体外然后把它植入老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，并且对肌肉表现出约15%的机械应变，这与运动时的自然变形相匹配。

接下来，为了评估其治疗效果，研究人员使用了一种在活的有机体内将MAGENTA设备植入小鼠后肢后，将其固定在一个类似铸件的小围栏中长达两周，从而建立肌肉萎缩的模型。第一作者、Wyss技术开发研究员Sungmin Nam博士说:“在这段时间里，未经治疗的肌肉和使用该设备治疗但没有受到刺激的肌肉明显消瘦，而受到积极刺激的肌肉则减少了肌肉消瘦。”“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，并诱导激活已知的主要生化机械传导途径，以诱导蛋白质合成和肌肉生长。”

机械疗法的各个方面

在一个之前的研究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，使用一种不同的软机器人设备，可以调节急性损伤肌肉的周期性压缩(而不是拉伸和收缩)，减少炎症，并使急性损伤肌肉的肌肉纤维得以修复。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之前的装置对肌肉进行拉伸和收缩通过MAGENTA装置，只有后者对小鼠萎缩模型有明显的治疗作用。Mooney说:“有一个很好的机会，独特的软体机器人方法，其对肌肉组织的独特影响，可以开辟疾病或损伤特异性机械治疗途径。”

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，这在以前没有展示过，并且将使该方法基本上是无线的，扩大了其治疗用途。事实上，他们证明了一个植入的没有任何电线的MAGENTA设备可以作为一个光响应驱动器，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，该设备所展示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毫米到几厘米的事实，使它成为未来机械疗法的核心，不仅可以治疗萎缩，而且可能还可以加速皮肤、心脏和其他可能受益于这种机械传导形式的地方的再生。”

Wyss公司创始董事Donald Ingber医学博士说:“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，而药物疗法根本无法做到这一点，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导不同机械刺激的分子途径水平。”“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如何应用于临床。”英格柏也是犹达·福克曼血管生物学教授哈佛医学院和波士顿儿童医院的Hansjörg Wyss生物工程教授在海洋。

其他作者研究穆尼所在的威斯研究所和SEAS小组的徐博里、亚历山大·纳吉比和斯蒂芬妮·麦克纳马拉。该研究由美国国家牙科和颅面研究所(奖励# R01DE013349)、Eunice Kennedy Shriver国家儿童健康和人类发展研究所(奖励# P2CHD086843)和哈佛大学国家科学基金会材料研究科学与工程中心(奖励# DMR14-20570)资助。