Массаж не только улучшает самочувствие мышц, но и заставляет их заживать быстрее и сильнее

Б. Р. Сео/Научная трансляционная медицина

Используя специально разработанную роботизированную систему для передачи постоянных и регулируемых сжимающих сил на мышцы лап мышей, команда обнаружила, что эта механическая нагрузка (ML) быстро очищает иммунные клетки, называемые нейтрофилами, из сильно поврежденной мышечной ткани.

Массаж использовался для лечения болезненных и травмированных мышц более 3000 лет, и сегодня многие спортсмены используют массажные пистолеты для восстановления своего тела. Но действительно ли эти «механотерапии» улучшают заживление после тяжелой травмы, кроме улучшения самочувствия людей? Согласно новому исследованию исследователей из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS), ответ - «да», пишет medicalxpress.com.

Используя специально разработанную роботизированную систему для передачи постоянных и регулируемых сжимающих сил на мышцы лап мышей, команда обнаружила, что эта механическая нагрузка (ML) быстро очищает иммунные клетки, называемые нейтрофилами, из сильно поврежденной мышечной ткани. Этот процесс также удалял воспалительные цитокины, выделяемые нейтрофилами из мышц, улучшая процесс регенерации мышечных волокон. Исследование опубликовано в Science Translational Medicine.

«Многие люди пытались изучить благотворное влияние массажа и других механотерапевтических процедур на организм, но до этого момента это не проводилось систематическим, воспроизводимым способом. Наша работа показывает очень четкую связь между механической стимуляцией и иммунная функция. Это обещает регенерировать широкий спектр тканей, включая кости, сухожилия, волосы и кожу, а также может использоваться у пациентов с заболеваниями, которые не позволяют использовать лекарственные вмешательства", - сказал первый автор Бо Ри Сео. Доктор философии, который является научным сотрудником лаборатории основного преподавателя Дейва Муни, доктора философии. в Институте Висса и SEAS.

Более тщательный массажный пистолет

Сео и ее соавторы начали изучать влияние механотерапии на поврежденные ткани у мышей несколько лет назад и обнаружили, что она вдвое увеличивает скорость регенерации мышц и уменьшает рубцевание тканей в течение двух недель. Вдохновленные идеей, что одна только механическая стимуляция может способствовать регенерации и укреплению мышечной функции, команда решила более глубоко изучить, как именно этот процесс работает в организме, и выяснить, какие параметры будут способствовать максимальному заживлению.

Они объединились с экспертами по мягкой робототехнике из Гарвардской лаборатории биодизайна во главе с ассоциированным преподавателем факультета Висс Конором Уолшем, доктором философии, чтобы создать небольшое устройство, которое использовало датчики и исполнительные механизмы для отслеживания и управления силой, прикладываемой к конечности мыши.  «Созданное нами устройство позволяет нам точно контролировать такие параметры, как количество и частота прилагаемой силы, обеспечивая гораздо более систематический подход к пониманию процесса заживления тканей, чем это было бы возможно при ручном подходе», - сказал второй автор исследования Кристофер Пейн, доктор философии. D., бывший научный сотрудник Института Висса и Гарвардской лаборатории биодизайна, ныне инженер-робототехник в Viam, Inc.

Когда устройство было готово, команда экспериментировала с приложением силы к мышцам ног с помощью мягкого силиконового наконечника и использовала ультразвук, чтобы посмотреть, что происходит с тканью в ответ. Они заметили, что мышцы испытывали напряжение от 10 до 40%, подтверждая, что ткани испытывали механическую силу. Они также использовали эти данные ультразвуковой визуализации для разработки и проверки вычислительной модели, которая могла бы предсказать величину деформации ткани при различных нагрузках. Удаление нейтрофилов для улучшения регенерации

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые провели подробную биологическую оценку, проанализировав широкий спектр факторов, связанных с воспалением, называемых цитокинами и хемокинами, в необработанных и обработанных мышцах. Подмножество цитокинов было значительно ниже в обработанных мышцах после трех дней механотерапии, и эти цитокины связаны с движением иммунных клеток, называемых нейтрофилами, которые играют важную роль в процессе воспаления. В обработанных мышцах также было меньше нейтрофилов в тканях, чем в необработанных мышцах, что позволяет предположить, что снижение количества цитокинов, которые их привлекают, вызвало уменьшение инфильтрации нейтрофилов.

У команды было подозрение, что сила, приложенная к мышце с помощью механотерапии, эффективно выдавливает нейтрофилы и цитокины из поврежденной ткани. Они подтвердили эту теорию, введя флуоресцентные молекулы в мышцы и заметив, что движение молекул было более значительным при приложении силы, поддерживая идею о том, что это помогает вымыть мышечную ткань.

Чтобы понять, какое влияние нейтрофилы и связанные с ними цитокины оказывают на регенерирование мышечных волокон, ученые провели исследования in vitro, в ходе которых они вырастили мышечные клетки-предшественники (MPC) в среде, в которой ранее были выращены нейтрофилы. Они обнаружили, что количество ПДК увеличилось, но скорость, с которой они дифференцировались (превратились в другие типы клеток ), снизилась, предполагая, что факторы, секретирующие нейтрофилы, стимулируют рост мышечных клеток, но длительное присутствие этих факторов ухудшает производство новых мышечные волокна.

«Известно, что нейтрофилы убивают и устраняют патогены и поврежденные ткани, но в этом исследовании мы определили их прямое влияние на поведение клеток-предшественников мышц», - сказала со-второй автор Стефани МакНамара, бывший научный сотрудник Института Висс. теперь доктор медицинских наук. студент Гарвардской медицинской школы (HMS). «Хотя воспалительная реакция важна для регенерации на начальных этапах заживления, не менее важно, чтобы воспаление быстро разрешилось, чтобы регенеративные процессы могли протекать своим полным ходом».

Затем Сео и ее коллеги вернулись к своей модели in vivo и проанализировали типы мышечных волокон у обработанных и необработанных мышей через 14 дней после травмы. Они обнаружили, что волокна типа IIX преобладали в здоровой мышце и обработанной мышце, но необработанная травмированная мышца содержала меньшее количество волокон типа IIX и увеличенное количество волокон типа IIA. Это различие объясняет увеличенный размер волокон и большую выработку силы обработанными мышцами, поскольку волокна IIX производят больше силы, чем волокна IIA.

Наконец, команда выбрала оптимальное время для присутствия нейтрофилов в поврежденной мышце, истощив нейтрофилы у мышей на третий день после травмы. Мышцы обработанных мышей показали больший размер волокон и большее восстановление силы, чем у необработанных мышей, подтверждая, что, хотя нейтрофилы необходимы на самых ранних стадиях восстановления после травмы, раннее их удаление из места повреждения приводит к улучшенной регенерации мышц.

«Эти результаты примечательны, потому что они показывают, что мы можем влиять на функцию иммунной системы организма без лекарств, неинвазивным способом», - сказал Уолш, который также является профессором инженерных и прикладных наук Пола А. Медера в SEAS. и чья группа имеет опыт в разработке носимых технологий для диагностики и лечения заболеваний. «Это дает большую мотивацию для разработки внешних механических вмешательств, помогающих ускорить и улучшить заживление мышц и тканей, которые могут быть быстро переведены в клинику».

Команда продолжает исследовать это направление исследований с несколькими проектами в лаборатории. Они планируют проверить этот механотерпевтический подход на более крупных животных с целью проверить его эффективность на людях. Они также надеются проверить его на различных типах травм, возрастной потере мышечной массы и улучшении работоспособности мышц.

«Сферы механотерапии и иммунотерапии редко взаимодействуют друг с другом, но эта работа является свидетельством того, насколько важно учитывать как физические, так и биологические элементы при изучении и работе над улучшением здоровья человека», - сказал Муни, автор-корреспондент статья и семейный профессор биоинженерии Роберта П. Пинкаса в SEAS.

«Идея о том, что механика влияет на функции клеток и тканей, высмеивалась до последних нескольких десятилетий, и, хотя ученые добились больших успехов в признании этого факта, мы все еще очень мало знаем о том, как этот процесс на самом деле работает на уровне органов. Это исследование выявил ранее неизвестный тип взаимодействия между механобиологией и иммунологией, который имеет решающее значение для заживления мышечной ткани, в дополнение к описанию новой формы механотерапии, которая потенциально может быть такой же мощной, как химическая или генная терапия, но гораздо более простая и менее инвазивная ", - сказал Директор-основатель Wyss Дон Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором биологии сосудов Джуды Фолкмана в (HMS) и программе сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS.