L’adhésif mécaniquement actif empêche et soutient la récupération de l’atrophie musculaire

Les muscles s’atrophient par manque d’exercice, comme cela arrive rapidement avec un membre cassé immobilisé dans un plâtre, et plus lentement chez les personnes qui atteignent un âge avancé. L’atrophie musculaire, la façon dont les cliniciens se réfèrent au phénomène, est également un symptôme débilitant chez les patients souffrant de troubles neurologiques, tels que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la sclérose en plaques (SEP), et peut être une réponse systémique à diverses autres maladies, y compris le cancer. et le diabète.

On pense que la mécanothérapie, une forme de thérapie administrée par des moyens manuels ou mécaniques, a un large potentiel de réparation des tissus. L’exemple le plus connu est le massage, qui applique une stimulation compressive aux muscles pour leur relaxation. Cependant, il a été beaucoup moins clair si l’étirement et la contraction des muscles par des moyens externes peuvent également être un traitement. Jusqu’à présent, deux défis majeurs ont empêché de telles études : des systèmes mécaniques limités capables de générer uniformément des forces d’étirement et de contraction sur toute la longueur des muscles, et une délivrance inefficace de ces stimuli mécaniques à la surface et dans les couches plus profondes du tissu musculaire.

Maintenant, des bio-ingénieurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard et de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un adhésif mécaniquement actif nommé MAGENTA, qui fonctionne comme un dispositif robotique doux et résout ces deux -problème de pliage. Dans un modèle animal, MAGENTA a empêché et soutenu avec succès la récupération de l’atrophie musculaire. Les conclusions de l’équipe sont publiées dans Matériaux naturels.

Avec MAGENTA, nous avons développé un nouveau système intégré multi-composants pour la mécanostimulation du muscle qui peut être directement placé sur le tissu musculaire pour déclencher des voies moléculaires clés pour la croissance. Alors que l’étude fournit la première preuve de concept selon laquelle les mouvements d’étirement et de contraction fournis de manière externe peuvent prévenir l’atrophie dans un modèle animal, nous pensons que la conception de base de l’appareil peut être largement adaptée à divers contextes pathologiques où l’atrophie est un problème majeur.

David Mooney, Ph.D., auteur principal et membre du corps professoral fondateur de Wyss

Mooney dirige la plateforme d’immuno-matériaux de l’Institut Wyss et est également professeur de bioingénierie de la famille Robert P. Pinkas à SEAS.

Un adhésif qui peut faire bouger les muscles

L’un des principaux composants de MAGENTA est un ressort fabriqué à partir de nitinol, un type de métal connu sous le nom d' »alliage à mémoire de forme » (SMA) qui permet l’actionnement rapide de MAGENTA lorsqu’il est chauffé à une certaine température. Les chercheurs ont actionné le ressort en le connectant électriquement à une unité à microprocesseur qui permet de programmer la fréquence et la durée des cycles d’étirement et de contraction. Les autres composants de MAGENTA sont une matrice élastomère qui forme le corps du dispositif et isole le SMA chauffé, et un « adhésif résistant » qui permet au dispositif d’adhérer fermement au tissu musculaire. De cette façon, l’appareil est aligné avec l’axe naturel du mouvement musculaire, transmettant la force mécanique générée par SMA profondément dans le muscle. Le groupe de Mooney fait progresser MAGENTA, qui signifie « adhésif tissulaire gel-élastomère-nitinol mécaniquement actif », comme l’un des nombreux adhésifs en gel résistants dotés de fonctionnalités adaptées à diverses applications régénératives sur plusieurs tissus.

Après avoir conçu et assemblé le dispositif MAGENTA, l’équipe a testé son potentiel de déformation musculaire, d’abord sur des muscles isolés ex vivo puis en l’implantant sur l’un des principaux muscles du mollet des souris. L’appareil n’a induit aucun signe grave d’inflammation et de lésion tissulaire et a présenté une contrainte mécanique d’environ 15 % sur les muscles, ce qui correspond à leur déformation naturelle pendant l’exercice.

Ensuite, pour évaluer son efficacité thérapeutique, les chercheurs ont utilisé un in vivo modèle d’atrophie musculaire en immobilisant le membre postérieur d’une souris dans une minuscule enceinte en forme de plâtre jusqu’à deux semaines après y avoir implanté le dispositif MAGENTA. «  » Alors que les muscles non traités et les muscles traités avec l’appareil mais non stimulés se sont atrophiés de manière significative pendant cette période, les muscles activement stimulés ont montré une réduction de la fonte musculaire « , a déclaré Sungmin Nam, Ph.D., premier auteur et boursier du développement technologique Wyss.  » Notre approche pourrait également favoriser la récupération de la masse musculaire déjà perdue au cours d’une période d’immobilisation de trois semaines et induire l’activation des principales voies de mécanotransduction biochimiques connues pour déclencher la synthèse des protéines et la croissance musculaire.

Les facettes de la mécanothérapie

Dans une étude précédente, le groupe de Mooney, en collaboration avec le groupe de Conor Walsh, membre de la faculté associée de Wyss, a découvert que la compression cyclique régulée (par opposition à l’étirement et à la contraction) des muscles gravement blessés, en utilisant un dispositif robotique doux différent, réduisait l’inflammation et permettait la réparation des muscles. fibres musculaires gravement lésées. Dans leur nouvelle étude, l’équipe de Mooney a demandé si ces forces de compression pouvaient également protéger de l’atrophie musculaire. Cependant, lorsqu’ils ont comparé directement la compression musculaire passant par l’appareil précédent à l’étirement et à la contraction musculaire passant par le dispositif MAGENTA, seul ce dernier a eu des effets thérapeutiques clairs dans le modèle d’atrophie de la souris. « Il y a de fortes chances que des approches robotiques douces distinctes avec leurs effets uniques sur le tissu musculaire puissent ouvrir des voies mécano-thérapeutiques spécifiques à une maladie ou à une blessure », a déclaré Mooney.

Pour étendre davantage les possibilités de MAGENTA, l’équipe a exploré si le ressort SMA pouvait également être actionné par la lumière laser, ce qui n’avait pas été montré auparavant et rendrait l’approche essentiellement sans fil, élargissant son utilité thérapeutique. En effet, ils ont démontré qu’un dispositif MAGENTA implanté sans aucun fil électrique pouvait fonctionner comme un actionneur sensible à la lumière et déformer le tissu musculaire lorsqu’il était irradié avec une lumière laser à travers la couche de peau sus-jacente. Bien que l’actionnement laser n’atteigne pas les mêmes fréquences que l’actionnement électrique, et que les tissus adipeux en particulier semblent absorber une partie de la lumière laser, les chercheurs pensent que la sensibilité à la lumière et les performances démontrées de l’appareil pourraient être encore améliorées. « Les capacités générales de MAGENTA et le fait que son assemblage peut être facilement mis à l’échelle de quelques millimètres à plusieurs centimètres pourraient le rendre intéressant en tant que pièce maîtresse de la future mécanothérapie non seulement pour traiter l’atrophie, mais peut-être aussi pour accélérer la régénération de la peau, du cœur et d’autres endroits qui pourraient bénéficier de cette forme de mécanotransduction », a déclaré Nam.

« La prise de conscience croissante que les mécanothérapies peuvent répondre à des besoins critiques non satisfaits en médecine régénérative d’une manière que les thérapies médicamenteuses ne peuvent tout simplement pas, a stimulé un nouveau domaine de recherche qui relie les innovations robotiques à la physiologie humaine jusqu’au niveau des voies moléculaires qui transduisent différents stimuli mécaniques », a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. « Cette étude de Dave Mooney et de son groupe est un exemple très élégant et tourné vers l’avenir de la façon dont ce type de mécanothérapie pourrait être utilisé cliniquement à l’avenir. » Ingber est aussi le Judah Folkman Professeur de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children’s Hospital, et le Hansjörg Wyss Professeur d’ingénierie bioinspirée aux MERS.

Les autres auteurs de l’étude sont Bo Ri Seo, Alexander Najibi et Stephanie McNamara du groupe de Mooney au Wyss Institute et SEAS. L’étude a été financée par l’Institut national de recherche dentaire et craniofaciale (prix # R01DE013349), l’Institut national Eunice Kennedy Shriver de la santé infantile et du développement humain (prix # P2CHD086843) et le Centre scientifique et technique de recherche sur les matériaux de la National Science Foundation à l’Université de Harvard. (prix # DMR14-20570).