PNAS开辟再生医学新范式
力学生物学领域的研究人员，通过揭示“身体的物理力和力学如何影响发育、生理健康以及疾病预防和治疗”，正在加深我们对于健康的理解。哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的工程师和生物医学科学家团结协作，有助于将这一令人兴奋的研究领域推向实际应用。现在，Wyss研究所和哈佛大学工程与应用科学学院的一个研究小组发现，机械驱动的疗法——通过直接物理刺激促进骨骼肌再生，有望取代或提高药物与细胞为基础的再生疗法。这一研究成果发表在1月25日的《PNAS》杂志。
本文资深作者、哈佛大学生物工程师David Mooney博士指出：“化学往往支配着我们思考医学的方式，但很显然，物理和力学因素在生物学调节中起着非常重要的角色。我们这项新研究的结果表明，直接的物理和机械干预可以影响生物学过程，并有可能被用来提高临床疗效。”
在人类中，多达一半的体重是由骨骼肌组成的，在运动、姿势和呼吸中起着关键的作用。虽然骨骼肌无需干预就可以克服轻微的撕裂和擦伤，但是，机动车事故造成的主要常见损伤、其他创伤或神经损伤，可导致广泛的瘢痕、纤维组织和肌肉功能丧失。
该研究团队将肌肉损伤和后肢缺血的小鼠模型相结合，来探讨两种潜在的力学疗法：植入式磁性生物凝胶和外部的软机械加压袖带。为了缓解严重的肌肉损伤，该研究团队植入一种磁化凝胶，被称为“双相磁性凝胶（biphasic ferrogel）”，因此它能与受损的组织直接接触。另一个小鼠实验组没有接受磁性凝胶植入，而是配备了软机器人，在受伤的腿上放置了非侵入性的加压袖带。然后，磁性凝胶受到磁脉冲，将循环刺激应用到肌肉，而空气脉冲可让袖带周期性地按摩后腿。采用两种不同的方法，两组小鼠均在两个星期内接受了局部的机械扰动。
研究人员发现，在为期两周的时间内，磁化凝胶或机器袖带提供的周期性机械刺激，都使肌肉再生发生了两倍半的改善，并减少了疤痕组织，最终使恢复的肌肉功能得以改善，并获得一个令人兴奋的新发现——肌肉的机械刺激可以促进再生。令他们吃惊的是，磁性凝胶植入加压袖带也造成了非常类似的再生，从而表明，使用无创压力袖带或设备，有望可以帮助治疗患有严重肌肉损伤的患者。
到目前为止，肌肉再生的多数方法一直是生物学的，依靠药物或细胞的使用。例如，2015年7月，来自中国医学科学院的研究人员证实，在小鼠中一种叫做miR-431的小RNA分子可以通过靶向Pax7来促进肌肉再生，改善肌营养不良。这一重要的研究发现发布《Nature Communications》杂志。 2014年12月，一项由美国国立卫生研究院提供部分经费、在大鼠中完成的研究显示，一种新的化合物在促进脊髓损伤后的功能修复中显示出非凡的前景。这一被研究人员命名为ISP的化合物使得超过80%的测试动物瘫痪的肌肉激活。这项重大的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上。
本文第一作者Christine Cezar博士指出：“我们发现，仅有机械性刺激不足以增强肌肉的修复，这些结果可以为新的非生物疗法、甚至是组合疗法打开大门，采用机械和生物干预来治疗严重受损骨骼肌。”
肌肉组织的直接刺激增加了氧气、营养物质、体液和废物从受损部位的运输，这些都是肌肉健康和修复的重要组成部分。据Mooney说，这项研究中最令人兴奋的一个方面是，与药物或细胞疗法相比，该成果以一种刺激装置的形式转化到临床上，可能相对比较快速。
将来，使用机械刺激来增强再生或减少疤痕或纤维化形成的原理，也可以应用于大范围的医疗设备，界面机械组件与人体组织接合。目前，临床设备往往是受到增厚组织的困扰，往往在机器和人的交叉点处形成。该小组计划探讨如何将这些调查结果从实验室转化到诊所。
Wyss研究所主任Donald Ingber是力学生物学领域的先驱和领先者，他指出：“这项工作清楚地表明，机械力跟化学物质和基因一样是重要的调节因子，并展现了开发机械疗法治疗损伤和疾病的巨大潜力。现在的挑战是，加快这一新的机械疗法的转化应用，有望对人类生活产生实际的影响。”
-
科技前沿
-
焦点事件
-
技术原理
