Po 20 dniach – krótka opowieść o regeneracji mięśni

Mięśnie szkieletowe wykonują ogromną gamę czynności, które stabilizują ciało w różnych pozycjach. Pomimo ich zdolności do wytrwania podczas codziennych czynności, mogą doznać kilku łagodnych urazów w wyniku uprawiania sportu, przypadkowego stresu lub nagłego przewrócenia się. Na szczęście lekkie rany mogą szybko się zagoić; Jednak gdy duża część mięśnia zostanie uszkodzona lub usunięta chirurgicznie, pełny powrót do zdrowia może być niemożliwy. Regeneracja mięśni jest wyzwaniem, ale opracowywanie innowacyjnych, biokompatybilnych materiałów rozwiązuje ten problem. Niedawno międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez dr. Marco Costantini z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) oraz dr hab. Cesare Gargoli z Uniwersytetu w Rzymie Tor Vergata (Włochy) wprowadził protezy mięśniowe, które przywracają masywnie kontuzjowane mięśnie szkieletowe z niespotykaną dotąd skutecznością.

Mięśnie to największa tkanka ciała. Są niezbędne do poruszania się, a bez nich nie bylibyśmy nawet w stanie stać, chodzić ani zbierać jedzenia ze stołu. Każdego dnia nasz układ mięśniowy wykonuje nieskończoną różnorodność ruchów, które angażują miliony tkanek przypominających włókna, aby kurczyć się, skracać, powracać do pierwotnego kształtu, rozluźniać, a nawet biernie wydłużać, gdy inne mięśnie się kurczą. Istnieją dwa rodzaje mięśni: mimowolne i dobrowolne. Mózg automatycznie kontroluje mimowolne mięśnie, takie jak skurcze mięśni podczas bicia serca lub oddychania, podczas gdy mięśnie dobrowolne działają, gdy podejmowana jest decyzja o wykonaniu ruchu. Niektóre są krótkie, na przykład mięśnie ucha, podczas gdy inne są długie, na przykład mięsień łydki, który kontroluje ruch kostki, stopy i palców u nóg. Każdy z nich jest bardzo odporny na rozciąganie i nacisk, choć istnieją pewne ograniczenia w ich działaniu. Podobnie może to dotyczyć wszystkich tkanek ciała. Nagłe nadwyrężenia lub skręcenia, które zdarzają się przypadkowo lub podczas ćwiczeń, mogą spowodować napięcie, rozdarcie, a nawet naderwanie mięśnia. W przypadku niektórych chorób, takich jak nowotwory, dystrofia lub uszkodzenia mechaniczne, może dojść do całkowitego uszkodzenia lub zerwania mechanicznego.

Chociaż nasze ciała są zdumiewająco zdolne do codziennej regeneracji, w niektórych przypadkach nie można w pełni zrewitalizować mięśni szkieletowych. Uszkodzony, zaraz po zapaleniu i obrzęku, organizm próbuje krok po kroku składać poszczególne włókna mięśniowe, powodując ich pobudzenie do ich wzrostu. Te maleńkie włókna zwane włóknami mięśniowymi są tworzone w celu tworzenia nowej tkanki mięśniowej w procesie tworzenia mięśni. Gdy uszkodzenie mięśni jest niewielkie, może całkowicie wyzdrowieć, chociaż naprawa dużych ubytków guzka komplikuje pełną regenerację. To sprawia, że ​​regeneracja mięśni i poprawa ich funkcji jest jednym z największych wyzwań biomedycznych naszych czasów.

Niedawno Marco Costantini z IChF PAN wraz z międzynarodowym zespołem przedstawili biomechaniczne rozwiązanie problemu wolumetrycznej utraty mięśni. Stworzyli biokompatybilny żel podobny do spaghetti, który przypomina oryginalną strukturę mięśni, którą można łatwo wykonać przy użyciu procesu biodruku 3D. Naukowcy zsyntetyzowali taki żel z wodnego roztworu, który zawiera naturalne polimery i kapsułkowane prekursory mięśni, tworząc naturalną macierz wzrostu włókien. Taki wysoce bio-żel został stworzony przy użyciu nowej platformy do bio-drukowania, która łączy mikroprzepływową głowicę drukującą i technologię mokrego wirowania.

Uwagi dr Marco Costantiniego: „Nasz system biodruku został stworzony, aby dokładnie symulować wysoce zmienną strukturę mięśni szkieletowych, co skutkuje lepszą orientacją i różnicowaniem przodków mięśni w struktury funkcjonalne”.

Następnie żel hodowano przez tydzień w laboratorium w celu stymulacji wzrostu komórek, a następnie wszczepiono do uszkodzonej tkanki pacjenta-myszy, u którego wykonano miektomię. Uraz przedstawiony w tej pracy był znaczący, ponieważ zagojenie trwałoby kilka miesięcy bez przywrócenia pełnego spektrum początkowych funkcji. Ten materiał zastępczy mięśnia szkieletowego wykonany z biodruku przywrócił do 90% rzeczywistej funkcji. Co więcej, mięśnie zostały odzyskane w ciągu zaledwie 20 dni, dzięki czemu złożony żel jest obiecującym materiałem do zastosowań biomedycznych wspomagających regenerację tkanek.

„Odzyskanie 90% wyciętej masy mięśniowej i funkcji w ciągu zaledwie 20 dni jest absolutnym rekordem, który motywuje nas do dalszego zgłębiania tego podejścia w najbliższej przyszłości. Teraz musimy zmodernizować nasz podstawowy system, aby wytwarzał biomechanikę, która może wspierać regenerację mięśni w duże zwierzęta. Tom, który dowodzi, że ta technologia może być gotowa w rozsądnym czasie do zastosowania klinicznego u ludzi ”. Roszczenia Dr. Marco Costantini

Technologia wprowadzona przez naukowców z IChF PAN umożliwia biodrukowanie żywych materiałów na żądanie, stanowiąc nową alternatywę dla szybszej i lepszej regeneracji osób z ciężką utratą masy mięśni szkieletowych.

Badanie zostało opublikowane 15 lutego w Medycyna molekularna EMBOI otwierając nowe horyzonty dla regeneracji tkanek, które w naturalnych warunkach w ogóle nie zregenerują się.

Badanie zostało wsparte przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) w ramach projektu Sonata 14 nr 2018/31 / D / ST8 / 03647 dr. Marco Costantini.

###