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Muskelregeneration durch mechanische Stimulation

18.05.2018

Eine aktuelle Studie von Wyss und SEAS Teams zeigt diese Wirkkraft in der regenerativen Medizin auf. 

Diese nebeneinander liegenden mikroskopischen Bilder zeigen die dramatische Wirkung einer neuartigen Mechanotherapie auf die Muskelregeneration über einen Zeitraum von zwei Wochen. Ein unbehandelter Muskel ist links abgebildet, im Gegensatz zu einem Muskel, der direkt mechanisch stimuliert wurde. Verbesserung der Muskelregeneration, verringerte Gewebsnarbenbildung und Fibrose, und eine sichtbare Zunahme der Dichte von Muskelzellen wurden dokumentiert.
Kann man durch Arzneimittel die mechanische Stimulation bei regenerativen Behandlungen eines Tages ersetzen oder die Wirkung verstärken. Das war das Ziel der neuen Studie von einem Team von Ingenieuren und Biomedizinern am Wyss Institut für „biologisch inspirierte Technik“ an der Harvard University und der Harvard John A. Paulson Hochschule für Technik und Angewandte Wissenschaften (SEAS).

Die Studie legt nahe, dass die derzeit verwendeten mechanisch ausgeführten Therapieformen, die Regeneration der Skelettmuskulatur fördern, ergänzen oder ersetzen könnten. Das Ergebnis der Studie wurde in der Zeitschrift „Proceedings“ (dt. Verfahren) der Nationalen Akademie der Wissenschaften veröffentlicht.

"Die Chemie neigt dazu zu dominieren, in der Art, wie wir über die Medizin denken. Das Ergebnis dieser Studie zeigt ganz klar, dass physikalische und mechanische Faktoren eine sehr wesentliche Rolle bei der Regulierung der Biologie im Körper mitbewirken", sagte Harvard-Bioingenieur David Mooney, der Senior-Autor der Studie.
"Die Ergebnisse unserer neuen Studie zeigen, wie die direkte physikalische und mechanische Intervention sich auf biologische Prozesse auswirken und potenziell genutzt werden können, um die klinischen Ergebnisse zu verbessern." Mooney ist ein Wyss Institut Core Faculty Mitglied und der Robert P. Pinkas Familie Professor für Bioengineering an SEAS.

Das multidisziplinäre Team, welches programmierbare Nanomaterialien des Wyss-Instituts und die bioinspirierten Roboterplattformen umfasste, wurde von Mooney geleitet. Dazu gehörten auch Softroboteringenieure und Wyss-Core-Fakultätsmitglied Conor Walsh, Professor für Mechanik und Biomedizintechnik bei SEAS und Gründer des Harvard Biodesign Labors und Biomechaniker Georg Duda, stellvertretender Direktor des Berlin-Brandenburgischen Zentrums für Regenerative Therapien und Leiter des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration an der Charité-Universitätsmedizin Berlin.

Beim Menschen besteht bis zur Hälfte der Körpermasse aus Skelettmuskulatur, welche eine Schlüsselrolle ausmacht bei der Fortbewegung, der Haltung und der Atmung. Obwohl Skelettmuskulatur kleinere Tränen und blaue Flecken ohne Eingriff überwinden kann, können schwere Verletzungen, die häufig durch Kfz-Unfälle, andere Traumata oder Nervenschäden verursacht werden, zu umfangreichen Narbenbildung, faserigem Gewebe und Verlust der Muskelfunktion führen.

Das Forscherteam der Mechanobiologie untersuchte an Mäusen 2 verschiedene Zugänge der Mechanotherapien. Beide Versuchsgruppen von Mäusen hatten Muskelverletzungen und Ischämie an den hinteren Gliedmaßen. (Als Ischämie bezeichnet man die pathologisch verminderte oder aufgehobene Durchblutung eines Gewebes infolge mangelnder arterieller Zufuhr von Blut.) Untersucht wurden ein implantiertes, magnetisch und biokompatibel Gel und im Vergleich eine externe, soft-roboter Druckmanschette.
Um schwere Muskelverletzungen zu lindern, implantierte das Team ein magnetisiertes Gel, ein zweiphasiges Ferrogel, das direkt mit dem beschädigten Gewebe in Kontakt stand. Mäuse, der anderen experimentellen Gruppe erhielten das Ferrogel-Implantat nicht, sondern wurden mit einer weichen, nicht-invasiven Druckmanschette über dem verletzten Bein ausgestattet. Das Ferrogel wurde magnetischen Impulsen unterworfen, um eine zyklische Stimulation auf den Muskel auszuüben. Während über Luftkissen in der Manschette das Hinterbein zyklisch zu massiert wurde. Zwei Wochen lang bekamen beide Versuchsgruppen diese mechanischen Stimulationen. Die Forscher entdeckten, dass die zyklische mechanische Stimulation entweder durch ein magnetisiertes Gel oder eine Robotermanschette eine 2,5-fache Verbesserung der Muskelregeneration und eine verringerte Gewebsnarbenbildung innerhalb von zwei Wochen zur Folge hatte, was schließlich zu einer Verbesserung der wiedergewonnenen Muskelfunktion führte. Die Ergebnisse bestätigten, dass eine mechanische Stimulation des Muskels allein die Regeneration fördern kann und das Ferrogel-Implantat und die unter Druck stehende Manschette zu sehr ähnlichen Regenerationsniveaus führten.

"Bisher sind die meisten Ansätze zur Muskelregeneration biologisch, unter Verwendung von Medikamenten oder Zellen", sagt Christine Cezar, die führende Autorin der Studie. "Unsere Feststellung besagt, dass mechanische Stimulation allein ausreicht, um die Muskelreparatur zu verbessern. Jedoch könnte die Tür für neue nicht-biologische Therapien nun geöffnet sein, um auch neue, kombinierbare Therapien, die sowohl mechanische als auch biologische Interventionen bei schwer beschädigtes Muskelgewebe behandeln."

Die direkte Stimulation des Muskelgewebes erhöht den Transport von Sauerstoff, Nährstoffen, Flüssigkeiten und Abfällen aus dem Ort der Verletzung, die alle lebenswichtigen Komponenten für die Muskelgesundheit und Regeneration sind. Mooney sagte, dass einer der aufregendsten Aspekte dieser Forschung ist, dass seine Umsetzung in Kliniken in Form eines stimulierenden Gerätes relativ schnell im Vergleich zu Medikamenten- oder Zelltherapien helfen könnte.

Das Prinzip der Verwendung mechanischer Stimulation zur Verbesserung der Regeneration oder zur Verringerung der Bildung von Narbenbildung oder Fibrose könnte auch auf eine breite Palette von medizinischen Geräten angewendet werden, die mechanische Komponenten mit Körpergeweben verbinden. Derzeit wird die Wirkweise von klinischen Geräte oft von verdickten Gewebekapseln negativ beeinflusst, die sich am Schnittpunkt von Maschine und Mensch bilden. Das Team plant zu erforschen, wie die Ergebnisse den Sprung vom Labor zur Klinik machen können.

"Diese Arbeit zeigt deutlich, dass mechanische Kräfte ebenso wichtige sind wie biologische Regulatoren, Chemikalien und Gene, und es zeigt das immense Potenzial der Entwicklung von Mechanotherapien zur Behandlung von Verletzungen und Krankheiten", sagte Wyss Institutsdirektor Donald Ingber, ein Pionier auf dem Gebiet der Mechanobiologie . "Die Herausforderung besteht nun darin, diesen neuen mechanotherapeutischen Ansatz von der Bank aufs Bett zu bringen, wo die wirklichen Auswirkungen auf das menschliche Leben auftreten können."

Zu den Autoren der Studie gehörten neben Mooney, Walsh, Duda und Cezar auch Ellen Roche, eine ehemalige Doktorandin, die ihr Studium am Wyss Institute und Harvard SEAS absolvierte und nun als Postdoktorandin an der National University of Ireland, Galway und Herman Vandenburgh, Associate Professor in der Abteilung für Pathologie und Labormedizin an der Brown University.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health, dem Material Research Science and Engineering Center der National Science Foundation an der Harvard University, einem Fulbright International Science and Technology Award und dem Cross-Platform Challenge Award des Wyss Institute Director unterstützt.

Quellverzeichnis: news.harvard.edu/gazette/story/2016/01/mechanical-stimulation-shown-to-repair-muscle/ vom 19.12.16

 

 

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