Cơ bắp bị lãng phí do không được vận động đủ, như xảy ra nhanh chóng với một chi bị gãy đã được bó bột bất động, và chậm hơn ở những người lớn tuổi.
Teo cơ, cách các bác sĩ lâm sàng đề cập đến hiện tượng này, cũng là một triệu chứng suy nhược ở những bệnh nhân mắc chứng rối loạn thần kinh, chẳng hạn như bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS) và bệnh đa xơ cứng (MS), và có thể là một phản ứng toàn thân đối với nhiều bệnh khác, bao gồm cả ung thư và bệnh tiểu đường.
Liệu pháp cơ học, một hình thức trị liệu bằng phương pháp thủ công hoặc cơ học, được cho là có tiềm năng lớn trong việc sửa chữa mô. Ví dụ nổi tiếng nhất là xoa bóp, áp dụng kích thích nén lên các cơ để chúng thư giãn.
>> Tham khảo: Thiếu quyền truy cập máy tính liên quan đến sức khỏe tâm thần kém hơn ở những người trẻ tuổi trong đại dịch COVID-19.
Tuy nhiên, việc kéo căng và co cơ bằng các biện pháp bên ngoài cũng có thể là một phương pháp điều trị hay không vẫn chưa rõ ràng. Cho đến nay, hai thách thức lớn đã ngăn cản những nghiên cứu như vậy: hệ thống cơ học hạn chế có khả năng tạo ra lực kéo và co đồng đều dọc theo chiều dài của cơ và việc phân phối không hiệu quả các kích thích cơ học này lên bề mặt và vào các lớp mô cơ sâu hơn.
Giờ đây, các kỹ sư sinh học tại Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học Wyss tại Đại học Harvard và Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã phát triển một chất kết dính hoạt động cơ học có tên MAGENTA, có chức năng như một thiết bị rô-bốt mềm và giải quyết hai vấn đề này. -gấp bài toán. Trên mô hình động vật, MAGENTA ngăn ngừa và hỗ trợ phục hồi thành công chứng teo cơ. Phát hiện của nhóm được công bố trên tạp chí Nature Materials.
“Với MAGENTA, chúng tôi đã phát triển một hệ thống đa thành phần tích hợp mới để kích thích cơ học có thể được đặt trực tiếp lên mô cơ để kích hoạt các con đường phân tử quan trọng cho sự phát triển,” David Mooney, tác giả chính và thành viên Khoa cốt lõi sáng lập Wyss cho biết.
>> Tham khảo: Cải thiện hiệu suất của máy đẩy plasma không điện cực cho lực đẩy không gian.
“Mặc dù nghiên cứu cung cấp bằng chứng đầu tiên về khái niệm rằng các chuyển động kéo dài và co lại được cung cấp từ bên ngoài có thể ngăn ngừa chứng teo cơ ở mô hình động vật, nhưng chúng tôi nghĩ rằng thiết kế cốt lõi của thiết bị có thể được điều chỉnh rộng rãi cho các cơ sở bệnh khác nhau trong đó chứng teo cơ là một vấn đề chính.” Mooney lãnh đạo Nền tảng Vật liệu Miễn dịch của Viện Wyss, đồng thời là Giáo sư Kỹ thuật Sinh học của Gia đình Robert P. Pinkas tại SEAS.
Một chất kết dính có thể làm cho cơ bắp di chuyển
Một trong những thành phần chính của MAGENTA là một lò xo được chế tạo từ nitinol, một loại kim loại được gọi là “hợp kim nhớ hình dạng” (SMA) cho phép MAGENTA truyền động nhanh khi được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định.
Các nhà nghiên cứu đã kích hoạt lò xo bằng cách nối điện nó với một bộ vi xử lý cho phép lập trình tần số và thời gian của các chu kỳ kéo dài và co lại. Các thành phần khác của MAGENTA là một ma trận đàn hồi tạo thành thân thiết bị và cách nhiệt SMA được làm nóng, và một “chất kết dính cứng” cho phép thiết bị được gắn chặt vào mô cơ.
Bằng cách này, thiết bị được căn chỉnh với trục chuyển động tự nhiên của cơ, truyền lực cơ học do SMA tạo ra vào sâu trong cơ. Nhóm của Mooney đang phát triển MAGENTA, viết tắt của “chất kết dính mô gel-elastomer-nitinol hoạt động cơ học”, là một trong số Chất kết dính Tough Gel có chức năng phù hợp với các ứng dụng tái tạo khác nhau trên nhiều mô.
Sau khi thiết kế và lắp ráp thiết bị MAGENTA, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra khả năng biến dạng cơ của nó, đầu tiên là ở các cơ bị cô lập ngoài cơ thể sống và sau đó cấy thiết bị này vào một trong các cơ bắp chân chính của chuột.
Thiết bị này không gây ra bất kỳ dấu hiệu viêm và tổn thương mô nghiêm trọng nào, đồng thời gây ra lực căng cơ học khoảng 15% cho cơ, phù hợp với biến dạng tự nhiên của chúng trong quá trình tập luyện.
>> Tham khảo: Khám phá khả năng tồn tại sự sống ngoài trái đất trong hang động.
Tiếp theo, để đánh giá hiệu quả điều trị của nó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình teo cơ in vivo bằng cách cố định chi sau của chuột trong một hộp nhỏ giống như bó bột trong tối đa hai tuần sau khi cấy thiết bị MAGENTA lên nó.
“”Trong khi các cơ không được điều trị và các cơ được điều trị bằng thiết bị nhưng không được kích thích bị tiêu hao đáng kể trong giai đoạn này, thì các cơ được kích thích tích cực cho thấy tình trạng tiêu hao cơ giảm đi,” Tiến sĩ Sungmin Nam, tác giả đầu tiên và là Tiến sĩ Phát triển Công nghệ Wyss cho biết.
“Phương pháp tiếp cận của chúng tôi cũng có thể thúc đẩy quá trình phục hồi khối lượng cơ đã bị mất trong khoảng thời gian ba tuần nằm bất động và kích hoạt các con đường dẫn truyền cơ học sinh hóa chính được biết đến để tạo ra sự tổng hợp protein và tăng trưởng cơ bắp.”
Các khía cạnh của cơ học trị liệu
Trong một nghiên cứu trước đây, nhóm của Mooney phối hợp với nhóm của Conor Walsh, thành viên của Wyss Associate, đã phát hiện ra rằng việc điều chỉnh quá trình nén theo chu kỳ (trái ngược với kéo dài và co lại) của các cơ bị tổn thương cấp tính, sử dụng một thiết bị robot mềm khác, đã giảm viêm và cho phép sửa chữa cơ. sợi trong cơ bị thương cấp tính.
Trong nghiên cứu mới của họ, nhóm của Mooney đã hỏi liệu những lực nén đó cũng có thể bảo vệ khỏi chứng teo cơ hay không. Tuy nhiên, khi họ so sánh trực tiếp quá trình nén cơ thông qua thiết bị trước đó với việc kéo và co cơ thông qua thiết bị MAGENTA, thì chỉ có thiết bị sau có hiệu quả điều trị rõ ràng trong mô hình teo chuột.
Mooney cho biết: “Có một cơ hội tốt là các phương pháp tiếp cận bằng robot mềm khác biệt với các tác động độc đáo của chúng đối với mô cơ có thể mở ra các con đường trị liệu cơ học dành riêng cho bệnh hoặc chấn thương”.
Để tiếp tục mở rộng khả năng của MAGENTA, nhóm nghiên cứu đã khám phá liệu lò xo SMA cũng có thể được kích hoạt bằng ánh sáng laze hay không, điều chưa từng được chứng minh trước đây và sẽ làm cho phương pháp này về cơ bản là không dây, mở rộng tính hữu dụng trong điều trị của nó.
Thật vậy, họ đã chứng minh rằng một thiết bị MAGENTA được cấy ghép không có bất kỳ dây điện nào có thể hoạt động như một thiết bị truyền động phản ứng với ánh sáng và làm biến dạng mô cơ khi chiếu tia laser qua lớp da bên trên. Mặc dù tác động bằng laser không đạt được tần số giống như tác động bằng điện và đặc biệt là mô mỡ dường như hấp thụ một số ánh sáng laser, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng độ nhạy sáng và hiệu suất của thiết bị đã được chứng minh có thể được cải thiện hơn nữa.
>> Tham khảo: Phương pháp mới thúc đẩy hình thành màng sinh học và tăng hiệu quả xúc tác sinh học.
“Các khả năng chung của MAGENTA và thực tế là việc lắp ráp của nó có thể dễ dàng thu nhỏ từ milimet đến vài centimet có thể khiến nó trở nên thú vị như một phần trung tâm của liệu pháp cơ học trong tương lai không chỉ để điều trị chứng teo mà còn có thể đẩy nhanh quá trình tái tạo da, tim và những nơi khác có thể được hưởng lợi từ hình thức vận chuyển cơ học này,” ông Nam nói.
“Việc nhận thức ngày càng tăng rằng các liệu pháp cơ học có thể giải quyết các nhu cầu quan trọng chưa được đáp ứng trong y học tái tạo theo cách mà các liệu pháp dựa trên thuốc đơn giản là không thể, đã kích thích một lĩnh vực nghiên cứu mới kết nối những đổi mới của robot với sinh lý con người ở cấp độ của các con đường phân tử đang truyền tải khác nhau kích thích cơ học,” Giám đốc Sáng lập Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., cho biết.
“Nghiên cứu này của Dave Mooney và nhóm của ông là một ví dụ rất tao nhã và hướng tới tương lai về cách loại liệu pháp cơ học này có thể được sử dụng lâm sàng trong tương lai.” Ingber cũng là Giáo sư Sinh học Mạch máu của Judah Folkman tại Trường Y Harvard và Bệnh viện Nhi đồng Boston, và Giáo sư Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học của Hansjörg Wyss tại SEAS.
Các tác giả khác của nghiên cứu là Bo Ri Seo, Alexander Najibi và Stephanie McNamara từ nhóm của Mooney tại Viện Wyss và SEAS. Nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Nghiên cứu Nha khoa và Sọ mặt Quốc gia (giải thưởng # R01DE013349), Viện Sức khỏe Trẻ em và Phát triển Con người Quốc gia Eunice Kennedy Shriver (giải thưởng # P2CHD086843) và Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của Quỹ Khoa học Quốc gia tại Đại học Harvard (giải thưởng # DMR14-20570).
