Механотерапия - концепция использования механических сил для стимулирования заживления тканей - уже несколько десятилетий используется в качестве одной из форм физиотерапии для заживления травмированных мышц. Однако биологические основы и оптимальные настройки механотерапии все еще плохо изучены, особенно в отношении пожилых пациентов. Учитывая хорошо известное снижение способности к заживлению, которое происходит с возрастом, пожилые пациенты могут извлечь большую пользу из эффективного, неинвазивного подхода к лечению опорно-двигательного аппарата.

Новое междисциплинарное исследование помогает восполнить этот пробел в знаниях об эффективности механотерапии в пожилых мышцах. Исследование было проведено учеными из Института биологически вдохновленной инженерии Wyss и Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) под руководством члена основного факультета Wyss Дэвида Муни, доктора философии, в сотрудничестве с ассоциированным членом факультета и профессором инженерных и прикладных наук Полом А. Мейдером, Конором Уолшем, доктором философии.

В предыдущей работе сотрудники использовали опыт лаборатории Уолша в области носимых роботизированных систем для разработки роботизированного устройства механотерапии, которое функционирует как высокотехнологичный массажный пистолет. Эта технология обеспечила точную доставку неинвазивной механотерапии к поврежденным мышцам мышей, что позволило команде измерить ее биологические эффекты. Исследователи использовали это устройство для оптимизации величины, продолжительности и частоты воздействия силы на мышцы молодых животных для ускорения заживления, и обнаружили, что механотерапия ускоряет заживление мышц, уменьшая воспаление после травмы.

Теперь, используя это устройство на старых мышцах, исследователи обнаружили, что та же механотерапия, которая помогает молодым мышцам быстрее заживать после травмы, имеет противоположный эффект при старении - настройки, которые способствовали заживлению молодых мышц, усугубляли травму в старых мышцах. В поисках объяснения этих результатов команда обнаружила, что механотерапия усиливает, а не ослабляет воспаление в старых мышцах, что в конечном итоге препятствует нормальному процессу заживления, нарушая поведение мышечных стволовых клеток - подмножества клеток, ответственных за замещение поврежденной мышечной ткани.

Подтолкнутые этими результатами, исследователи задались вопросом, может ли борьба с воспалением наряду с механотерапией помочь достичь лечебного эффекта в старых мышцах. Они обнаружили, что это действительно так: сочетание механотерапии с противовоспалительным лечением значительно улучшило заживление в старых мышцах и превосходило только противовоспалительное лечение. Эта работа, опубликованная в журнале Science Robotics, открывает захватывающий неинвазивный терапевтический путь для заживления мышечных травм у пожилых пациентов.

"Наше исследование подчеркивает критические различия в том, как мышечные стволовые клетки и иммунные клетки реагируют на механические силы в контексте возраста, и как повышенное воспаление дополнительно нарушает функцию старых стволовых клеток, необходимых для регенерации старых мышц", - сказал Муни, который также является профессором биоинженерии в SEAS Робертом П. Пинкасом. "Механотерапия мышц, вероятно, не будет "универсальной". Чтобы реализовать их преимущества, они должны быть адаптированы к популяциям пациентов, а для пожилых людей ключевое значение будет иметь модуляция воспаления".
От неожиданности к решению

После неожиданного открытия, что механотерапия сама по себе препятствует нормальному процессу регенерации старых мышц, взаимодействуя с иммунной системой, группа исследователей обратила более пристальное внимание на стволовые клетки мышц. Приложение механической нагрузки к мышцам, как это происходит во время механотерапии, влияет на поведение мышечных клеток через несколько молекулярных "путей механотрансдукции", которые также влияют на стволовые клетки.

Мы показали, что, хотя поведение старых стволовых клеток было нарушено из-за повышенного воспаления, они все еще были способны "чувствовать" механические силы нагрузки, что мы продемонстрировали активацией этих путей", - говорит первый автор исследования Стефани Макнамара, аспирантка из команды Муни, которая в настоящее время участвует в совместной программе Гарварда и Массачусетского технологического института по изучению медицины и философии. "Именно это побудило нас задаться вопросом, может ли контроль воспаления позволить этим клеткам реагировать на механические раздражители - и это действительно так".

Команда обнаружила, что применение противовоспалительной терапии в виде глюкокортикоидов наряду с механотерапией подавляет основные провоспалительные пути и снижает общий уровень воспаления в травмированных пожилых мышцах до уровня, наблюдаемого в травмированных молодых мышцах. Тем не менее, на клеточном уровне мышечные клетки продолжали испытывать механотрансдукцию, и, устранив негативное воздействие воспаления, травмированные пожилые мышцы могли положительно реагировать на механическую нагрузку, доставляемую роботом.

"Хорошо известно, что с возрастом многие нормальные процессы заживления мышц и воспаления изменяются. Важно задаться вопросом, остаются ли те же механизмы, которые наблюдались в исследованиях, проведенных на молодых животных, неизменными по мере старения организма", - говорит Макнамара. "Используя то, что мы узнали в этом исследовании и наших предыдущих работах, и сочетая это с растущим опытом в носимых мягких роботизированных системах, мы считаем, что в будущем можно будет разработать персонализированные механотерапевтические подходы для заживления травм в любом возрасте".

"Это открытие, что неинвазивная механотерапия может стимулировать восстановление мышц у пожилых людей в сочетании с противовоспалительной терапией, открывает совершенно новый путь для регенерации и восстановления у пожилых людей. Механотерапия, безусловно, обладает огромным потенциалом для изменения жизни пациентов, но именно междисциплинарное сотрудничество, такое как сотрудничество групп Дэйва Муни и Конора Уолша в Институте Wyss, создает основу для ее внедрения в клиническую практику", - сказал директор-основатель Института Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, Ph.D., который также является профессором сосудистой биологии Джуда Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерной инженерии Хансйорга Уисса в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.