PNAS開辟再生醫學新范式

　　力學生物學領域的研究人員，通過揭示“身體的物理力和力學如何影響發育、生理健康以及疾病預防和治療”，正在加深我們對于健康的理解。哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的工程師和生物醫學科學家團結協作，有助于將這一令人興奮的研究領域推向實際應用。現在，Wyss研究所和哈佛大學工程與應用科學學院的一個研究小組發現，機械驅動的療法——通過直接物理刺激促進骨骼肌再生，有望取代或提高藥物與細胞為基礎的再生療法。這一研究成果發表在1月25日的《PNAS》雜志。

　　本文資深作者、哈佛大學生物工程師David Mooney博士指出：“化學往往支配著我們思考醫學的方式，但很顯然，物理和力學因素在生物學調節中起著非常重要的角色。我們這項新研究的結果表明，直接的物理和機械干預可以影響生物學過程，并有可能被用來提高臨床療效。”

　　在人類中，多達一半的體重是由骨骼肌組成的，在運動、姿勢和呼吸中起著關鍵的作用。雖然骨骼肌無需干預就可以克服輕微的撕裂和擦傷，但是，機動車事故造成的主要常見損傷、其他創傷或神經損傷，可導致廣泛的瘢痕、纖維組織和肌肉功能喪失。

　　該研究團隊將肌肉損傷和后肢缺血的小鼠模型相結合，來探討兩種潛在的力學療法：植入式磁性生物凝膠和外部的軟機械加壓袖帶。為了緩解嚴重的肌肉損傷，該研究團隊植入一種磁化凝膠，被稱為“雙相磁性凝膠（biphasic ferrogel）”，因此它能與受損的組織直接接觸。另一個小鼠實驗組沒有接受磁性凝膠植入，而是配備了軟機器人，在受傷的腿上放置了非侵入性的加壓袖帶。然后，磁性凝膠受到磁脈沖，將循環刺激應用到肌肉，而空氣脈沖可讓袖帶周期性地按摩后腿。采用兩種不同的方法，兩組小鼠均在兩個星期內接受了局部的機械擾動。

　　研究人員發現，在為期兩周的時間內，磁化凝膠或機器袖帶提供的周期性機械刺激，都使肌肉再生發生了兩倍半的改善，并減少了疤痕組織，最終使恢復的肌肉功能得以改善，并獲得一個令人興奮的新發現——肌肉的機械刺激可以促進再生。令他們吃驚的是，磁性凝膠植入加壓袖帶也造成了非常類似的再生，從而表明，使用無創壓力袖帶或設備，有望可以幫助治療患有嚴重肌肉損傷的患者。

　　到目前為止，肌肉再生的多數方法一直是生物學的，依靠藥物或細胞的使用。例如，2015年7月，來自中國醫學科學院的研究人員證實，在小鼠中一種叫做miR-431的小RNA分子可以通過靶向Pax7來促進肌肉再生，改善肌營養不良。這一重要的研究發現發布《Nature Communications》雜志。 2014年12月，一項由美國國立衛生研究院提供部分經費、在大鼠中完成的研究顯示，一種新的化合物在促進脊髓損傷后的功能修復中顯示出非凡的前景。這一被研究人員命名為ISP的化合物使得超過80%的測試動物癱瘓的肌肉激活。這項重大的研究成果發表在《自然》（Nature）雜志上。

　　本文第一作者Christine Cezar博士指出：“我們發現，僅有機械性刺激不足以增強肌肉的修復，這些結果可以為新的非生物療法、甚至是組合療法打開大門，采用機械和生物干預來治療嚴重受損骨骼肌。”

　　肌肉組織的直接刺激增加了氧氣、營養物質、體液和廢物從受損部位的運輸，這些都是肌肉健康和修復的重要組成部分。據Mooney說，這項研究中最令人興奮的一個方面是，與藥物或細胞療法相比，該成果以一種刺激裝置的形式轉化到臨床上，可能相對比較快速。

　　將來，使用機械刺激來增強再生或減少疤痕或纖維化形成的原理，也可以應用于大范圍的醫療設備，界面機械組件與人體組織接合。目前，臨床設備往往是受到增厚組織的困擾，往往在機器和人的交叉點處形成。該小組計劃探討如何將這些調查結果從實驗室轉化到診所。

　　Wyss研究所主任Donald Ingber是力學生物學領域的先驅和領先者，他指出：“這項工作清楚地表明，機械力跟化學物質和基因一樣是重要的調節因子，并展現了開發機械療法治療損傷和疾病的巨大潛力。現在的挑戰是，加快這一新的機械療法的轉化應用，有望對人類生活產生實際的影響。”