È stato sviluppato un adesivo in grado di stimolare i muscoli ad allungarsi e contrarsi e ha il potenziale per prevenire e consentire il recupero dall’atrofia muscolare.
I muscoli possono indebolirsi e deperire a causa della mancanza di esercizio, come quando un arto è immobilizzato in un gesso, o gradualmente quando le persone invecchiano. Questa condizione, nota come atrofia muscolare, può verificarsi anche a seguito di disturbi neurologici come la SLA e la SM o come risposta a determinate malattie tra cui il cancro e il diabete.
Si ritiene che la meccanoterapia, un tipo di terapia che utilizza tecniche manuali o meccaniche, abbia il potenziale per aiutare nella riparazione dei tessuti. Il massaggio, che utilizza la stimolazione compressiva per rilassare i muscoli, è la forma più nota di meccanoterapia, tuttavia non è chiaro se anche lo stiramento e la contrazione dei muscoli attraverso mezzi esterni possa essere efficace come trattamento. Ci sono stati due principali ostacoli allo studio di questa possibilità: la mancanza di sistemi meccanici in grado di applicare uniformemente forze di stiramento e contrazione ai muscoli per tutta la loro lunghezza e l’erogazione inefficiente di questi stimoli meccanici alla superficie e agli strati più profondi del tessuto muscolare.
Questa immagine mostra esempi di prototipi MAGENTA fabbricati con una molla in “lega a memoria di forma” e un elastomero, e come le loro dimensioni si confrontano con quelle di una moneta da un centesimo. Credito: Wyss Institute dell’Università di Harvard-
Ora, i bioingegneri del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard e della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno sviluppato un adesivo meccanicamente attivo chiamato MAGENTA, che funziona come un dispositivo robotico morbido e risolve questi due -fold problema. In un modello animale, MAGENTA ha prevenuto e supportato con successo il recupero dall’atrofia muscolare.
I risultati del team sono stati pubblicati su Nature Materials.
“Con MAGENTA, abbiamo sviluppato un nuovo sistema integrato multi-componente per la meccanostimolazione del muscolo che può essere posizionato direttamente sul tessuto muscolare per innescare percorsi molecolari chiave per la crescita”, ha affermato l’autore senior e membro della Wyss Founding Core Faculty David Mooney, Ph.D.. “Sebbene lo studio fornisca la prima prova del concetto che i movimenti di allungamento e contrazione forniti esternamente possono prevenire l’atrofia in un modello animale, riteniamo che il design di base del dispositivo possa essere ampiamente adattato a vari contesti patologici in cui l’atrofia è un problema importante“. Mooney guida la piattaforma di immuno-materiali del Wyss Institute ed è anche Professore di bioingegneria della famiglia Robert P. Pinkas presso SEAS.
Un adesivo che può far muovere i muscoli
Uno dei componenti principali di MAGENTA è una molla ingegnerizzata realizzata in nitinol, un tipo di metallo noto come ” lega a memoria di forma ” (SMA) che consente il rapido azionamento di MAGENTA quando riscaldato a una certa temperatura. I ricercatori hanno azionato la molla collegandola elettricamente a un’unità a microprocessore che consente di programmare la frequenza e la durata dei cicli di allungamento e contrazione. Gli altri componenti di MAGENTA sono una matrice elastomerica che forma il corpo del dispositivo e isola la SMA riscaldata, e un “adesivo resistente” che consente al dispositivo di aderire saldamente al tessuto muscolare.
In questo modo, il dispositivo è allineato con l’asse naturale del movimento muscolare, trasmettendo la forza meccanica generata dalla SMA in profondità nel muscolo. Il gruppo di Mooney sta promuovendo MAGENTA, che sta per “adesivo tissutale gel-elastomero-nitinolo meccanicamente attivo”, come uno dei numerosi adesivi Tough Gel con funzionalità su misura per varie applicazioni rigenerative su più tessuti.
Dopo aver progettato e assemblato il dispositivo MAGENTA, il team ha testato il suo potenziale di deformazione muscolare, prima in muscoli isolati ex vivo e poi impiantandolo su uno dei principali muscoli del polpaccio dei topi. Il dispositivo non ha indotto alcun segno grave di infiammazione e danno tissutale e ha mostrato uno sforzo meccanico di circa il 15% sui muscoli, che corrisponde alla loro naturale deformazione durante l’esercizio.
Successivamente, per valutarne l’efficacia terapeutica, i ricercatori hanno utilizzato un modello in vivo di atrofia muscolare immobilizzando l’arto posteriore di un topo in un minuscolo recinto simile a un gesso per un massimo di due settimane dopo l’impianto del dispositivo MAGENTA su di esso. “Mentre i muscoli non trattati e i muscoli trattati con il dispositivo, ma non stimolati si sono impegnati in modo significativo durante questo periodo, i muscoli stimolati attivamente hanno mostrato una riduzione dell’atrofia muscolare“, ha affermato il primo autore e Wyss Technology Development Fellow Sungmin Nam, Ph.D. “Il nostro approccio potrebbe anche promuovere il recupero della massa muscolare che era già stata persa in un periodo di immobilizzazione di tre settimane e indurre l’attivazione delle principali vie biochimiche di meccanotrasduzione note per suscitare la sintesi proteica e la crescita muscolare”.
Aspetti della meccanoterapia
In uno studio precedente, il gruppo di Mooney in collaborazione con il gruppo di Wyss Associate Faculty, Conor Walsh, ha scoperto che la compressione ciclica regolata (al contrario dello stiramento e della contrazione) dei muscoli gravemente feriti, utilizzando un diverso dispositivo robotico morbido, riduceva l’infiammazione e consentiva la riparazione delle fibre nel muscolo gravemente danneggiato. Nel loro nuovo studio, il team di Mooney ha chiesto se quelle forze di compressione potessero anche proteggere dall’atrofia muscolare. Tuttavia, quando hanno confrontato direttamente la compressione muscolare tramite il dispositivo precedente con l’allungamento e la contrazione muscolare tramite il dispositivo MAGENTA, solo quest’ultimo ha avuto chiari effetti terapeutici nel modello di atrofia del topo.
“Esiste una buona possibilità che distinti approcci robotici morbidi con i loro effetti unici sul tessuto muscolare possano aprire strade meccano-terapeutiche specifiche per malattie o lesioni”, ha affermato Mooney.
Per espandere ulteriormente le possibilità di MAGENTA, il team ha esplorato se la molla SMA potesse anche essere azionata dalla luce laser, che non era stata mostrata prima e renderebbe l’approccio essenzialmente wireless, ampliando la sua utilità terapeutica. In effetti, i ricercatori hanno dimostrato che un dispositivo MAGENTA impiantato senza fili elettrici potrebbe funzionare come un attuatore sensibile alla luce e deformare il tessuto muscolare se irradiato con luce laser attraverso lo strato cutaneo sovrastante. Mentre l’azionamento laser non ha raggiunto le stesse frequenze dell’azionamento elettrico, e in particolare il tessuto adiposo sembrava assorbire parte della luce laser, i ricercatori ritengono che la sensibilità alla luce dimostrata e le prestazioni del dispositivo potrebbero essere ulteriormente migliorate.
“Le capacità generali di MAGENTA e il fatto che il suo assemblaggio possa essere facilmente ridimensionato da millimetri a diversi centimetri potrebbero renderlo interessante come elemento centrale della futura meccanoterapia non solo per trattare l’atrofia, ma forse anche per accelerare la rigenerazione della pelle, del cuore, e altri luoghi che potrebbero beneficiare di questa forma di meccanotrasduzione”, ha affermato Nam.
“La crescente consapevolezza che la meccanoterapia può affrontare bisogni critici insoddisfatti nella medicina rigenerativa in modi che le terapie basate sui farmaci semplicemente non possono, ha stimolato una nuova area di ricerca che collega le innovazioni robotiche con la fisiologia umana fino al livello dei percorsi molecolari che stanno trasducendo diversi stimoli meccanici”, ha affermato il Direttore fondatore di Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D. “Questo studio di Dave Mooney e del suo gruppo è un esempio molto elegante e lungimirante di come questo tipo di meccanoterapia potrebbe essere utilizzato clinicamente in futuro”. Ingber è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Boston Children’s Hospital,e Hansjörg Wyss Professor of Bioinspired Engineering presso SEAS.
Fonte:Nature
