Kasları Hareket Ettirebilen Bir Yapıştırıcı
Programlanabilir mekanik aktif yapıştırıcı, kasların gerilmesini ve kasılmasını sağlayarak atrofiyi önlüyor ve bu sorunu çözmeyi mümkün hale getiriyor.
Yeterince egzersiz yapılmaması sonucu oluşan kas kaybı, alçıda hareketsiz halde olan kırık bir uzuvda hızlı bir şekilde geliştiği gibi, yaş ilerledikçe daha yavaş bir şekilde de meydana gelebilir.
Klinisyenlerin kas atrofisi olarak adlandırdıkları olgu, amyotrofik lateral skleroz (ALS)
ve multipl skleroz (MS) gibi nörolojik hastalıklardan muzdarip kişilerde zayıflatıcı bir semptomdur.
Kas atrofisi, kanser ve diyabet de dahil olmak üzere çeşitli diğer hastalıklara karşı geliştirilmiş sistemik bir yanıt olabilir.
Manuel veya mekanik yollarla verilen bir terapi şekli olan mekanoterapinin doku onarımında büyük bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir. En iyi bilinen örnek, gevşemeleri için kaslara sıkıştırıcı stimülasyon uygulanan masajdır.
Bununla birlikte, kasları harici yollarla esnetmenin ve kasmanın da bir tedavi olup
olamayacağı kesin değildir. Şimdiye kadar, bu tür çalışmaları engelleyen iki farklı sorundan bahsedilebilir.
Bu iki sorun, kasların uzunluğu boyunca eşit olarak gerilme ve kasılma kuvveti üretebilen mekanik sistemlerin yetersizliği ve bu mekanik uyaranların yüzeye ve kas dokusunun daha derin katmanlarına verimli bir şekilde iletilememesidir.
Harvard Üniversitesi yer alan Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering’de
ve Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nda (SEAS) görevli biyomühendisler, yumuşak bir robotik cihaz olarak işlev gören ve bu iki yönlü sorunu çözen, MAGENTA adlı mekanik olarak aktif bir yapıştırıcı geliştirdiler.
MAGENTA, üzerinde çalışılan bir hayvan modelinde kas atrofisini önlemeyi ve ortadan kaldırmayı başardı. Araştırma ekibinin bulguları Nature Materials’da yayınlandı.
Wyss Kurucu Çekirdek Öğretim Üyesi ve çalışmanın kıdemli yazarı olan David Mooney (Ph.D.), “Çalışma, harici olarak sağlanan germe ve kasılma hareketlerinin bir hayvan modelinde atrofiyi önleyebileceğine dair ilk kavram kanıtını sağlarken, cihazın temel tasarımının,atrofinin önemli bir sorun oluşturduğu çeşitli hastalıklara da geniş çapta uyarlanabileceğini düşünüyoruz.”
Mooney, Wyss Enstitüsü’nün İmmüno-Malzemeler Platformunu yönetmektedir ve aynı zamanda SEAS’ta Robert P. Pinkas Biyomühendislik Profesörüdür.
Kasları Hareket Ettirebilen Bir Yapıştırıcı MAGENTA’nın ana bileşenlerinden biri, “şekil hafızalı
alaşım” (SMA) olarak bilinen ve MAGENTA’nın belirli bir sıcaklığa getirildiğinde hızla harekete geçmesini sağlayan, bir metal türü olan nitinolden yapılan bir yaydır.
Araştırmacılar yayı, germe ve kasılma döngülerinin sıklığını ve süresini programlanmasına izin veren bir mikroişlemci birimine elektriksel olarak bağlayarak çalıştırdı.
MAGENTA’nın diğer bileşenleri, cihazın gövdesini oluşturan ve ısınan SMA’yı yalıtan elastomer bir matris ve cihazın kas dokusuna sıkıca yapışmasını sağlayan sert bir yapıştırıcıdır.
Böylece cihaz, kas hareketinin doğal ekseni ile hizalanır ve SMA tarafından üretilen mekanik
kuvveti kasın derinliklerine iletir. Mooney’nin araştırma grubu, “mekanik olarak aktif jel-elastomer-nitinol doku yapıştırıcısı” anlamına gelen MAGENTA’yı, birden fazla dokuda çeşitli rejeneratif uygulamalara göre uyarlanmış işlevlere sahip birkaç sert jel yapıştırıcısından biri
olarak geliştiriyor.
Araştırma ekibi, MAGENTA cihazını tasarlayıp montajını tamamladıktan sonra, kas deforme
potansiyelini önce izole edilmiş kaslarda organizma dışında (
ex vivo), ardından farelerin ana baldır kaslarından birine cihazı yerleştirerek test etti.
Cihaz, ciddi bir doku iltihabı ve hasar belirtisi göstermedi ve kaslar üzerinde, egzersiz sırasındaki doğal deformasyonlarla eşleşen, yaklaşık %15’lik bir mekanik gerilim ortaya
koydu.
Daha sonra araştırmacılar, terapötik etkinliğini değerlendirmek amacıyla MAGENTA cihazını üzerine yerleştirdikten sonra iki haftaya kadar bir farenin arka uzuvunu küçük bir alçı benzeri muhafaza içinde hareketsizleştirerek
in vivo bir kas atrofisi modeli kullandılar.
Wyss Teknoloji Geliştirme Üyesi ve çalışmanın ilk yazarı olan Sungmin Nam (Ph.D), “Tedavi edilmemiş kaslar ve cihazla tedavi edilen ancak uyarılmayan kaslar bu süre zarfında önemli ölçüde küçülürken, aktif olarak uyarılan kaslarda kas kaybında azalma görüldü.
Benimsediğimiz yöntem ayrıca, üç haftalık bir immobilizasyon döneminde daha önce kaybedilmiş olan kas kütlesinin geri kazanılmasını sağlarken, protein sentezi ve kas büyümesini ortaya çıkardığı bilinen başlıca biyokimyasal mekanotransdüksiyon yollarının aktivasyonunu da teşvik edebilir.” açıklamasını yaptı.
Mekanoterapinin Farklı Yüzleri
Daha önce, Wyss’da yardımcı öğretim üyesi olan Conor Walsh’ın grubuyla işbirliği içinde gerçekleştirdikleri bir çalışmada Mooney’nin araştırma grubu, akut olarak yaralanmış
kasların regüle edilmiş döngüsel kompresyonunun (gerilme ve kasılmanın aksine), farklı bir yumuşak robotik cihaz kullanılarak düzenlendiğini, iltihaplanmayı azalttığını ve akut olarak yaralanmış kaslardaki kas liflerinin onarılmasını sağladığını keşfetti.
Mooney’nin ekibi yeni çalışmalarında, bu sıkıştırıcı kuvvetlerin kas atrofisinden de koruma sağlayıp sağlayamayacağını araştırdı.
Bununla birlikte, önceki cihaz yoluyla kas sıkıştırmayı MAGENTA cihazı aracılığıyla kas germe ve kasılma ile doğrudan karşılaştırdıklarında, fare atrofisi modelinde yalnızca ikincisinin açık terapötik etkilere sahip olduğu görüldü.
Mooney, “Kas dokusu üzerindeki benzersiz etkileriyle farklı yumuşak robotik yaklaşımların,
hastalık ve yaralanmalarda mekanik-terapötik yolları açma olasılığı oldukça yüksek” açıklamasını yaptı.
Araştırma ekibi, MAGENTA’nın kullanım olanaklarını daha da genişletmek amacıyla, SMA yayının lazer ışığıyla da çalıştırılıp çalıştırılamayacağını inceleyerek yöntemi kablosuz hale getirip terapötik kullanışlılığı artırmanın mümkün olup olmadığını araştırdı.
Gerçekten de, herhangi bir elektrik kablosu olmaksızın implante edilmiş bir MAGENTA cihazının, üstteki deri tabakasından lazer ışığı ile ışınlandığında ışığa duyarlı bir aktüatör olarak işlev görebildiğini ve kas dokusunu deforme edebildiğini gösterdiler.
Lazerle çalıştırma, elektriksel çalıştırmayla aynı frekanslara ulaşmazken ve özellikle yağ
dokusu lazer ışığının bir kısmını emiyor gibi görünse de, araştırmacılar cihazın gösterilen ışık hassasiyetinin ve performansının daha da geliştirilebileceğini düşünüyor.
Nam, “MAGENTA’nın genel özellikleri ve düzeneğinin milimetreden birkaç santimetreye kolayca ölçeklendirilebilmesi, onu yalnızca atrofiyi tedavi etmesini sağlamakla kalmayarak, aynı zamanda belki de deri, kalp ve bu mekanotransdüksiyon biçiminden yararlanabilecek
diğer bölgelerin rejenerasyonunu (yeniden oluşum) da hızlandırabilir” yorumunda bulundu.
Wyss Kurucu Direktörü Donald Ingber, (M.D., Ph.D.) “Mekanoterapilerin, rejeneratif tıpta ilaca dayalı terapilerin basitçe yapamayacağı şekillerde bugüne dek karşılanmamış
kritik ihtiyaçları karşılayabildiğine dair giderek artan farkındalık, robotik yenilikleri insan fizyolojisi ile mekanik uyaranları transdükte eden moleküler yolaklar düzeyine kadar birbirine bağlayan yeni bir araştırma alanını teşvik etti.
Dave Mooney ve grubu tarafından yapılan bu çalışma, bu tür mekanoterapinin gelecekte
klinik olarak nasıl kullanılabileceğine dair oldukça iyi ve ileriye dönük bir örnek.”
Ingber aynı zamanda Harvard Tıp Fakültesi ve Boston Çocuk Hastanesi’nde Vasküler Biyoloji alanında Judah Folkman Profesörü ve SEAS’ta Hansjörg Wyss Bioinspired Mühendislik Profesörüdür. Çalışmada yer alan diğer yazarlar, Mooney’nin Wyss Enstitüsü ve SEAS’taki grubundan Bo Ri Seo, Alexander Najibi ve Stephanie McNamara’dır.
Çalışma, Ulusal Dişçilik ve Kraniyofasiyal Araştırma Enstitüsü (ödül # R01DE013349), Eunice Kennedy Shriver Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsan Gelişimi Enstitüsü (ödül # P2CHD086843) ve Ulusal Bilim Vakfı’nın Harvard Üniversitesi’ndeki Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendisliği Merkezi tarafından finanse edildi.
Kaynak: https://wyss.harvard.edu/news/wasting-muscles-built-back-better/
