帮助萎缩的肌肉更好地恢复

由于缺乏足够的锻炼，肌肉会迅速损耗，就像用石膏固定的断肢会很快发生一样，而对于年事已高的人来说则会更慢。临床医生将这种现象称为肌肉萎缩，它也是神经系统疾病(如肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和多发性硬化症(MS))患者的一种衰弱症状，也可能是对包括癌症和糖尿病在内的各种其他疾病的系统性反应。

机械疗法，一种通过手工或机械手段进行的治疗形式，被认为具有广泛的潜力组织修复．最著名的例子是按摩，它通过压缩刺激肌肉来放松肌肉。然而，通过外部手段拉伸和收缩肌肉是否也可以作为一种治疗方法，目前还不太清楚。

到目前为止，有两个主要的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，以及将这些机械刺激传递到表面和更深层的效率不高肌肉组织．

现在，哈佛大学威斯生物激励工程研究所和哈佛约翰·a·保尔森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，它的功能相当于一个软机器人装置，解决了这个双重问题。在动物模型中，MAGENTA成功地防止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．

“有了MAGENTA，我们开发了一种新的综合多组分系统，用于肌肉的机械刺激，可以直接放置在肌肉组织上，触发关键的生长分子途径，”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提供的拉伸和收缩运动可以防止脑萎缩动物模型我们认为，该设备的核心设计可以广泛适用于各种疾病环境，在这些疾病环境中，萎缩是一个主要问题。”Mooney领导着Wyss研究所的免疫材料平台，同时也是生物工程学院Robert P. Pinkas家族教授。

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，镍钛诺是一种被称为“形状记忆合金”(SMA)的金属，它能使MAGENTA在加热到一定温度时快速驱动。研究人员通过将弹簧连接到一个微处理器单元来驱动弹簧，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的其他组成部分是构成设备主体的弹性体基质，并将受热的SMA绝缘，以及使设备牢固地粘附在肌肉组织上的“韧性粘合剂”。这样，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。

穆尼的团队正在推进MAGENTA，它的意思是“机械活性凝胶弹性体-镍钛诺组织粘合剂”，作为多种韧性凝胶粘合剂之一，它的功能适合跨多个组织的各种再生应用。

在设计和组装完MAGENTA装置后，研究小组首先在离体分离的肌肉中测试了它的肌肉变形潜力，然后将其植入老鼠的一个主要小腿肌肉上。该装置没有引起任何严重的组织炎症和损伤迹象，并显示肌肉的机械张力约为15%，与运动时的自然变形相符。

接下来，为了评估它的治疗效果，研究人员使用了一个肌肉萎缩的活体模型，方法是在植入MAGENTA设备后，将一只老鼠的后肢固定在一个微小的铸型外壳中长达两周。第一作者、Wyss技术开发研究员Sungmin Nam博士说:“在这段时间内，未经处理的肌肉和未经设备刺激的肌肉出现了明显的损耗，而积极刺激的肌肉显示出减少的肌肉损耗。”

“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，并诱导主要生化机械转导通路的激活，已知可诱导蛋白质合成和肌肉生长。”

机械疗法的几个方面

在之前发表在科学转化医学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)，减少了炎症，并使急性损伤肌肉的肌肉纤维修复成为可能。

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保护肌肉萎缩．然而，当他们直接比较前一种设备的肌肉压缩和MAGENTA设备的肌肉拉伸和收缩时，只有后者在小鼠萎缩模型中有明显的治疗效果。穆尼说:“利用对肌肉组织具有独特效果的独特软机器人方法，很有可能开辟针对疾病或损伤的特定机械治疗途径。”

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，这是以前从未展示过的，这将使方法基本上是无线的，扩大其治疗用途。事实上，他们证明了一个植入的MAGENTA装置，没有任何电线，可以作为一个光响应驱动器和变形肌肉用激光照射皮肤时的组织。

而激光驱动并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，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的一般功能和它的组装可以很容易地从毫米扩展到几厘米的事实，使它成为未来机械疗法的一个有趣的中心部件，不仅可以治疗萎缩，而且可能还可以加速皮肤、心脏和其他可能从这种机械传导形式中受益的地方的再生。”

“越来越多的人认识到，机械疗法可以以药物疗法无法满足的方式解决再生医学中关键的未满足的需求，这刺激了一个新的研究领域，将机器人创新与人类生理直到传递不同机械刺激的分子通路水平，”Wyss的创始董事、医学博士唐纳德·英格伯说。

“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，说明了这种机械疗法在未来可以用于临床。”Ingber还是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学的Judah Folkman教授，以及SEAS生物激励工程的Hansjörg Wyss教授。