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Os músculos se desgastam por não serem exercitados o suficiente, como acontece rapidamente com um membro quebrado que foi imobilizado em um gesso, e mais lentamente em pessoas que atingem uma idade avançada. A atrofia muscular, como os médicos chamam o fenômeno, também é um sintoma debilitante em pacientes que sofrem de distúrbios neurológicos, como esclerose lateral amiotrófica (ELA) e esclerose múltipla (EM), e pode ser uma resposta sistêmica a várias outras doenças, incluindo o câncer e diabetes.
Acredita-se que a mecanoterapia, uma forma de terapia administrada por meios manuais ou mecânicos, tenha um amplo potencial de reparação tecidual. O exemplo mais conhecido é a massagem, que aplica estimulação compressiva aos músculos para relaxamento. No entanto, tem sido muito menos claro se o alongamento e a contração dos músculos por meios externos também podem ser um tratamento. Até agora, dois grandes desafios impediram tais estudos: sistemas mecânicos limitados capazes de gerar forças de alongamento e contração uniformemente ao longo do comprimento dos músculos e entrega ineficiente desses estímulos mecânicos à superfície e nas camadas mais profundas do tecido muscular.
Agora, os bioengenheiros do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University e da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desenvolveram um adesivo mecanicamente ativo chamado MAGENTA, que funciona como um dispositivo robótico macio e resolve esses dois problemas. -dobre o problema. Em um modelo animal, MAGENTA preveniu e apoiou com sucesso a recuperação da atrofia muscular. As descobertas da equipe foram publicadas em Materiais da Natureza.
“Com o MAGENTA, desenvolvemos um novo sistema integrado de múltiplos componentes para a mecanoestimulação do músculo que pode ser colocado diretamente no tecido muscular para acionar as principais vias moleculares para o crescimento”, disse o autor sênior e membro do corpo docente do Wyss Founding Core David Mooney, Ph.D . “Embora o estudo forneça a primeira prova de conceito de que os movimentos de alongamento e contração fornecidos externamente podem prevenir a atrofia em um modelo animal, acreditamos que o design principal do dispositivo pode ser amplamente adaptado a várias configurações de doenças em que a atrofia é um problema importante”. Mooney lidera a Plataforma de Imuno-Materiais do Instituto Wyss e também é o professor Robert P. Pinkas Family de Bioengenharia na SEAS.
Um adesivo que pode fazer os músculos se moverem
Um dos principais componentes do MAGENTA é uma mola projetada feita de nitinol, um tipo de metal conhecido como “liga com memória de forma” (SMA) que permite a atuação rápida do MAGENTA quando aquecido a uma determinada temperatura. Os pesquisadores acionaram a mola conectando-a eletricamente a uma unidade de microprocessador que permite programar a frequência e a duração dos ciclos de alongamento e contração. Os outros componentes do MAGENTA são uma matriz de elastômero que forma o corpo do dispositivo e isola o SMA aquecido e um “adesivo resistente” que permite que o dispositivo seja firmemente aderido ao tecido muscular. Desta forma, o aparelho está alinhado com o eixo natural do movimento muscular, transmitindo a força mecânica gerada pelo SMA profundamente no músculo. O grupo de Mooney está promovendo o MAGENTA, que significa “adesivo de tecido gel-elastômero-nitinol mecanicamente ativo”, como um dos vários adesivos Tough Gel com funcionalidades adaptadas para várias aplicações regenerativas em vários tecidos.
Depois de projetar e montar o dispositivo MAGENTA, a equipe testou seu potencial de deformação muscular, primeiro em músculos isolados ex vivo e então implantando-o em um dos principais músculos da panturrilha de camundongos. O dispositivo não induziu nenhum sinal grave de inflamação e dano tecidual e exibiu uma tensão mecânica de cerca de 15% nos músculos, o que corresponde à sua deformação natural durante o exercício.
Em seguida, para avaliar sua eficácia terapêutica, os pesquisadores usaram um na Vivo modelo de atrofia muscular, imobilizando a pata traseira de um camundongo em um minúsculo compartimento semelhante a gesso por até duas semanas após a implantação do dispositivo MAGENTA nela. “”Enquanto os músculos não tratados e os músculos tratados com o dispositivo, mas não estimulados, definharam significativamente durante esse período, os músculos ativamente estimulados mostraram perda muscular reduzida”, disse o primeiro autor e bolsista de desenvolvimento de tecnologia da Wyss, Sungmin Nam, Ph.D. “Nossa abordagem também poderia promover a recuperação da massa muscular que já havia sido perdida durante um período de três semanas de imobilização e induzir a ativação das principais vias bioquímicas de mecanotransdução conhecidas por induzir a síntese de proteínas e o crescimento muscular.
Facetas da mecanoterapia
Em um estudo anterior, o grupo de Mooney em colaboração com o grupo de Conor Walsh, membro do corpo docente da Wyss Associate, descobriu que a compressão cíclica regulada (em oposição ao alongamento e contração) de músculos com lesão aguda, usando um dispositivo robótico macio diferente, reduziu a inflamação e permitiu o reparo de músculos fibras no músculo com lesão aguda. Em seu novo estudo, a equipe de Mooney perguntou se essas forças compressivas também poderiam proteger da atrofia muscular. No entanto, quando compararam diretamente a compressão muscular através da o dispositivo anterior ao alongamento e contração muscular através da o dispositivo MAGENTA, apenas o último teve efeitos terapêuticos claros no modelo de atrofia do camundongo. “Há uma boa chance de que abordagens robóticas suaves distintas, com seus efeitos únicos no tecido muscular, possam abrir caminhos mecanoterapêuticos específicos para doenças ou lesões”, disse Mooney.
Para expandir ainda mais as possibilidades do MAGENTA, a equipe explorou se a mola SMA também poderia ser acionada por luz laser, o que não havia sido mostrado antes e tornaria a abordagem essencialmente sem fio, ampliando sua utilidade terapêutica. De fato, eles demonstraram que um dispositivo MAGENTA implantado sem quaisquer fios elétricos poderia funcionar como um atuador responsivo à luz e deformar o tecido muscular quando irradiado com luz laser através da camada de pele sobrejacente. Embora a atuação do laser não atingisse as mesmas frequências da atuação elétrica e, especialmente, o tecido adiposo parecesse absorver um pouco da luz do laser, os pesquisadores acreditam que a sensibilidade à luz e o desempenho demonstrados do dispositivo poderiam ser melhorados. “As capacidades gerais do MAGENTA e o fato de que sua montagem pode ser facilmente dimensionada de milímetros a vários centímetros podem torná-lo interessante como uma peça central da futura mecanoterapia não apenas para tratar a atrofia, mas talvez também para acelerar a regeneração da pele, coração e outros lugares que podem se beneficiar dessa forma de mecanotransdução”, disse Nam.
“A crescente percepção de que as mecanoterapias podem atender às necessidades críticas não atendidas na medicina regenerativa de maneiras que as terapias baseadas em drogas simplesmente não podem, estimulou uma nova área de pesquisa que conecta inovações robóticas com a fisiologia humana até o nível das vias moleculares que estão transduzindo diferentes estímulos mecânicos”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. “Este estudo de Dave Mooney e seu grupo é um exemplo muito elegante e voltado para o futuro de como esse tipo de mecanoterapia pode ser usado clinicamente no futuro”. Ingber também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na SEAS.
Outros autores do estudo são Bo Ri Seo, Alexander Najibi e Stephanie McNamara, do grupo de Mooney no Wyss Institute e SEAS. O estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Pesquisa Dentária e Craniofacial (prêmio nº R01DE013349), pelo Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano Eunice Kennedy Shriver (prêmio nº P2CHD086843) e pelo Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation da Universidade de Harvard (prêmio # DMR14-20570).
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