無駄な筋肉をより良く作り直す(Wasting muscles built back better)

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プログラム可能なメカニカルアクティブ粘着剤が筋肉を伸縮させ、萎縮の予防と回復を可能にします。 Programmable mechanically active adhesive makes muscles stretch and contract, preventing and enabling recovery from atrophy

2022-11-14 ハーバード大学

外的な手段で筋肉を伸縮させることも有効な治療法となり得るかどうかは、これまであまり明らかではありませんでした。これまで、筋肉の長さに沿って伸縮する力を均等に発生させることができる機械装置が限られていること、機械的刺激を筋肉の表面や深層部まで効率よく伝えることができないことが、こうした研究を阻んできた。
生体工学者は、この2つの問題を解決する、ソフトロボットとして機能する機械活性接着剤「MAGENTA」を開発した。動物モデルにおいて、MAGENTAは筋肉の萎縮を防ぎ、その回復をサポートすることに成功した。
MAGENTAは筋肉組織に直接貼ることができ、成長のための重要な分子経路を引き起こすことができる、筋肉の機械刺激用の新しい統合型マルチコンポーネントシステムを開発した。
MAGENTAの主要部品の1つは、形状記憶合金(SMA)と呼ばれる金属の一種であるニチノール製の人工バネであり、一定の温度に加熱するとMAGENTAを素早く作動させることができる。研究者たちは、伸縮サイクルの周波数と時間をプログラムできるマイクロプロセッサーユニットにバネを電気的に配線することで作動させました。MAGENTAのその他の構成要素は、装置本体を形成し、加熱されたSMAを絶縁するエラストマー・マトリックスと、装置を筋肉組織にしっかりと接着させるための「強靭な接着剤」である。こうして、デバイスは筋肉の自然な運動軸に沿うようになり、SMAで発生した機械的な力を筋肉の奥深くまで伝えることができるのである。
研究チームは、MAGENTAデバイスを設計・組み立てた後、まず生体外の孤立した筋肉で、次にマウスの主要なふくらはぎの筋肉の1つに移植して、筋肉の変形能をテストした。このデバイスは、組織の炎症や損傷の深刻な兆候を誘発せず、筋肉に約15%の機械的ひずみを与え、これは運動時の自然な変形と一致した。

<関連情報>

活性組織接着剤がメカノセンサを活性化し、筋肉の萎縮を防ぐ Active tissue adhesive activates mechanosensors and prevents muscle atrophy

Sungmin Nam,Bo Ri Seo,Alexander J. Najibi,Stephanie L. McNamara & David J. Mooney
Nature Materials  Published:10 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x

Abstract

While mechanical stimulation is known to regulate a wide range of biological processes at the cellular and tissue levels, its medical use for tissue regeneration and rehabilitation has been limited by the availability of suitable devices. Here we present a mechanically active gel–elastomer–nitinol tissue adhesive (MAGENTA) that generates and delivers muscle-contraction-mimicking stimulation to a target tissue with programmed strength and frequency. MAGENTA consists of a shape memory alloy spring that enables actuation up to 40% strain, and an adhesive that efficiently transmits the actuation to the underlying tissue. MAGENTA activates mechanosensing pathways involving yes-associated protein and myocardin-related transcription factor A, and increases the rate of muscle protein synthesis. Disuse muscles treated with MAGENTA exhibit greater size and weight, and generate higher forces compared to untreated muscles, demonstrating the prevention of atrophy. MAGENTA thus has promising applications in the treatment of muscle atrophy and regenerative medicine.

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