20 dni później – Krótka historia o regeneracji mięśni

Mięśnie szkieletowe wykonują ogromną różnorodność działań, które stabilizują ciało w różnych pozycjach. Pomimo wytrwałości w codziennych czynnościach, mogą doznać wielu drobnych urazów spowodowanych ćwiczeniami, przypadkowym nadmiernym rozciągnięciem lub nagłym nadmiernym wysiłkiem. Na szczęście drobne rany można szybko wyleczyć. Jeśli jednak duża część mięśni zostanie uszkodzona lub poddana resekcji chirurgicznej, całkowite wyleczenie może być niemożliwe. Regeneracja mięśni jest wyzwaniem, ale opracowanie 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 Gargioli z Uniwersytetu w Rzymie, Tor Vergata (Włochy), przedstawił bioprodukowaną mio-substytucję, która przywraca znacząco uszkodzone mięśnie szkieletowe z niespotykaną dotąd wydajnością.

Mięśnie to największa tkanka ciała. Są niezbędne do poruszania się i bez nich nie moglibyśmy nawet wstać, chodzić ani zjeść posiłku ze stołu. Każdego dnia nasz układ mięśniowy wykonuje nieskończoną różnorodność ruchów, które obejmują miliony tkanek włóknistych kurczących się, skracających, powracających do pierwotnego kształtu, rozluźniających, a nawet biernie wydłużających się w miarę kurczenia się innych mięśni. Istnieją dwa rodzaje mięśni: mimowolne i dobrowolne. Mózg automatycznie kontroluje mięśnie mimowolne, takie jak mięśnie, które kurczą się w miarę bicia serca lub oddychania, podczas gdy mięśnie dobrowolne stają się aktywne podczas podejmowania decyzji o ruchu. Niektóre z nich są krótkie, jak mięśnie ucha, podczas gdy inne są długie, jak mięsień łydki, który kontroluje ruch kostki, stopy i palca. Każdy jest bardzo odporny na rozciąganie i nacisk, choć istnieją pewne ograniczenia w jego wykonaniu. Również wszystkie tkanki ciała, mięśnie, mogą zostać uszkodzone. Nagłe pociągnięcie lub skręcenie, przypadkowe lub podczas ćwiczeń, może spowodować napięcie mięśni, łzy, a nawet złamania. W przypadku niektórych chorób, takich jak rak, dystrofia lub uszkodzenia mechaniczne, można je całkowicie lub mechanicznie wyciąć.

Pomimo imponującej zdolności naszego organizmu do codziennej regeneracji, w niektórych przypadkach mięśnie szkieletowe nie mogą być w pełni zrewitalizowane. Jeśli są uszkodzone, zaraz po zapaleniu i obrzęku organizm próbuje się spakować, skurcząc poszczególne włókna mięśniowe krok po kroku i aktywując je do wzrostu. Te maleńkie włókienka, zwane włóknami mięśniowymi, powstają w celu stworzenia nowej tkanki mięśniowej w procesie miogenezy. Jeśli uszkodzenie mięśni jest niewielkie, mogą w pełni wyzdrowieć, chociaż naprawa znacznych ubytków masy utrudnia pełne wyleczenie. To sprawia, że ​​regeneracja mięśni i poprawa funkcjonalna są jednym z największych wyzwań biomedycznych naszych czasów.

Niedawno Marco Costantini z IChF PAN wraz z międzynarodowym zespołem przedstawili rozwiązanie biofabrykacji do walki z wolumetryczną utratą mięśni. Opracowali biokompatybilny żel podobny do spaghetti, który przypomina natywną strukturę mięśni i można go łatwo wyprodukować przy użyciu procesu biodruku 3D. Naukowcy zsyntetyzowali taki żel z wodnego roztworu zawierającego naturalne polimery i kapsułkowane prekursory mięśni, tworząc matrycę do wzrostu włókien naturalnych. Taki wysoce biomimetyczny żel został wyprodukowany przy użyciu nowej platformy do biodruku, która łączy mikroprzepływową głowicę drukującą z technologią mokrego przędzenia.

Dr. Marco Costantini zauważa: „Nasz system biodruku został opracowany w celu dokładnego naśladowania wysoce anizotropowej architektury mięśni szkieletowych, co prowadzi do lepszego prowadzenia i różnicowania prekursorów mięśni w struktury funkcjonalne”.

Żel następnie hodowano wstępnie in vitro przez jeden tydzień, aby stymulować wzrost komórek, a następnie wszczepiono do uszkodzonej tkanki pacjenta-myszy, który miał resekcję mięśnia. Uraz przedstawiony w tej pracy był znaczący, gdyż zagojenie bez przywrócenia pełnego zakresu pierwotnych funkcji trwałoby nawet kilka miesięcy. Wymiana mięśni szkieletowych z biodruku pozwoliła na przywrócenie do 90% rzeczywistych funkcji. Ponadto mięśnie zostały odbudowane w ciągu zaledwie 20 dni, dzięki czemu zsyntetyzowany żel jest obiecującym materiałem do zastosowań biomedycznych, który wspomaga regenerację tkanek.

„Odzyskanie masy i funkcji 90% mięśni po ablacji w ciągu zaledwie 20 dni jest rekordem wszechczasów, który motywuje nas do dalszego zgłębiania tego podejścia w najbliższej przyszłości. Teraz musimy skalować naszą platformę w celu wytworzenia konstrukcji biologicznych, które mogą wspierać regeneracja mięśni dużych zwierząt, udowadniając, że ta technologia może być gotowa do klinicznego zastosowania u ludzi w rozsądnym czasie. ”- twierdzi dr hab. Marco Costantini

Technologia ujawniona przez naukowców z IChF PAN umożliwia biodrukowanie żywych materiałów w razie potrzeby, a także stanowi nową alternatywę dla szybszej i lepszej regeneracji osób cierpiących na znaczną utratę masy mięśni szkieletowych.

Badanie zostało opublikowane 15 lutego w Medycyna molekularna EMBOOtwiera to nowe horyzonty dla regeneracji tkanek, których nie można było w ogóle odtworzyć w warunkach naturalnych.

Niniejsze badanie zostało przeprowadzone przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) w ramach projektu SONATA 14 nr 2018/31 / D / ST8 / 03647 na rzecz dr. Marco Costantini.

###