Сокращающийся имплантат защитил мышцы от атрофии

Биоинженеры из Гарвардского университета наносили на мышцы гель-эластомер с пружиной внутри и таким образом воспроизводили сокращение и растяжение мышц в обездвиженных конечностях. Технология защитила мышей от атрофии конечностей и запустила рост мышечной ткани. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

Атрофия мышц — это процесс, при котором происходит истончение мышечных волокон и уменьшение объема мышцы. Атрофия быстро наступает при недостатке физической нагрузки, например, после длительного ношения гипса или у лежачих больных. Это происходит потому, что в обездвиженных мышцах ухудшается кровоток и доставка питательных веществ. А еще мышцам крайне важно постоянно испытывать механическое напряжение, а когда сигналов о сокращении и растяжении мышц нет, организм перестает поддерживать мышечную ткань в рабочем состоянии.

Обездвиженным людям пытаются помочь механотерапией — массажем или компрессионными устройствами. Но такие методы создают концентрическое сжатие мышцы, а вот растяжение и сокращение по длине мышцы раньше никогда не применялось. Тому было сразу два препятствия — отсутствие нужных механических устройств и сложность передачи внешних импульсов на поверхность мышцы.

У Дэвида Муни (David J. Mooney) и его команды из Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете и Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона получилось разрешить обе проблемы. Они разработали гель-эластомер с механической активностью — MAGENTA (mechanically active gel-elastomer-nitinol tissue adhesive), который устанавливается прямо на мышцу и обеспечивает движение мышцы в продольной оси.

Биоинженеры использовали нитинол — сплав титана и никеля с памятью формы, который быстро меняет одну конфигурацию на другую при нагревании примерно до 40 градусов Цельсия. Пружина проводами соединялась с внешним микропроцессором, на котором задавали частоту и продолжительность движений. Пружина нагревалась и срабатывала, — сокращала и растягивала мышцу в след за собой. Нитиноловую пружину покрыли эластомером, который прикреплял имплантат к тканям и защищал мышцу от нагрева.

Биоинженеры попробовали избавиться от проводов, и активировать механизм лазером — так технология стала бы удобнее. Действительно, MAGENTA без каких-либо электрических проводов функционировала как светочувствительный привод при облучении лазером через кожу. Хотя лазерная стимуляция не давала таких же высоких частот, как электрическая, инженеры считают, в будущем это получится улучшить.

Для начала команда ученых испытала устройство на изолированной мышце ex vivo, а потом имплантировала его в икроножную мышцу живой мыши. В обоих случаях MAGENTA не вызывала воспаления и не повреждала ткани, а главное, — создавала такой же тонус мышц, как при естественной физической нагрузке.

Убедившись в том, что технология безопасна и работоспособна, инженеры приступили к основной цели — оценке лечебных свойств MAGENTA. Задние лапки мышей обездвижили в гипсе на четырнадцать дней, — за это время объем мышечной ткани сильно уменьшился. Но у мышей, которым предварительно имплантировали MAGENTA и стимулировали мышцы каждый день в течение всего пяти минут, — атрофия была намного меньше.

Исследователи пошли дальше и решили проверить, сможет ли MAGENTA не только защитить здоровые, но и восстановить атрофированные мышцы. Для этого лапки мышей загипсовали уже на три недели, что привело к атрофии, а после этого в течение семи дней использовали MAGENTA. Как и ожидалось, стимулированные мышцы лучше восстановили массу и силу сокращений по сравнению с нелеченными.

Механическая стимуляция MAGENTA запускала факторы роста мышечной ткани. У мышей повышался уровень белка YAP1, — который отвечает за размножение клеток и уменьшает их гибель, и белок MRTF-A, — за счет которого юные мышечные клетки дифференцируются в активные зрелые. Кроме того, в с имплантом MAGENTA в мышцах синтезировалось больше белка, и мышечные волокна были более развитыми и сильными.

В предыдущем исследовании Дэвид Муни с коллегами пробовал восстановить мышцы с помощью устройства для концентрического сжатия мышц. При сравнении оказалось, что только MAGENTA дает ощутимый терапевтический эффект при лечении атрофии. За счет расположения на самой мышце MAGENTA стимулировала мускулатуру с самых глубоких слоев. Кроме того, растягивание и сжатие в длину гораздо ближе к естественной работе мышц, чем концентрическое давление. Сами разработчики считают, что устройство может быть приспособлено для лечения пациентов в клиниках, — в особенности благодаря беспроводному управлению лазером.

Биоинженерные технологии с каждым днем внедряются в самые значимые области медицины. В Германии, например, разработали биоразлагаемые электроды для безопасной реабилитации после операций на сердце. А в Корее создали кардиостимулятор в виде пластыря для сердца, который совмещает в себе датчики давления, электроды ЭКГ и дефибриллятор.