本文轉載自“丁香學術”微信公眾號。
在運動和日常勞作中，我們往往不可避免會發生肌肉損傷。骨骼肌的受損會影響人體的正常運動功能，限制日常生活活動，最終降低生活質量。而按摩被用於緩解肌肉痠痛或治療肌肉損傷，早已有幾千年的歷史。如今，也衍生出了許多機械按摩裝置，如按摩槍，可達到放鬆肌肉的效果。
但是，按摩真的可以促進肌肉的修復和再生嗎？
事實上，機械療法，即對受傷組織施加機械負荷（Mechanical loading, ML），已被廣泛用作骨骼肌損傷後的替代和補充療法。已有的研究資料表明其可透過增加血流量、減少炎症和增加線粒體生物合成等來促進肌肉骨骼組織的康復。
然而，不同研究團隊使用的方法存在高度不一致性，這也就限制了關於機械療法療效的評估和比較。此外，減少炎症和功能再生的特定細胞和分子成分之間的直接聯絡尚未明確。
為了應對上述的難題，哈佛大學工程與應用科學學院的研究團隊在 ScienceTranslational Medicine發表了題為Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils的研究性文章。
他們開發了一種機器人按摩裝置，配備了實時力度控制裝置，並同時用超聲成像進行組織分析。研究結果表明，在特定力量範圍內的反覆按壓可顯著改善小鼠嚴重損傷肌肉的功能恢復，這種改善部分歸因於中性粒細胞群和中性粒細胞介導因子的快速清除。這項工作的結論將有助於廣泛推進組織再生的新治療策略的研發。
圖片來源：Science Translational Medicine
主要研究內容
開發機器裝置為小鼠骨骼肌提供可量化的壓力
首先，研究人員開發了一種外部機器裝置，可對齧齒動物的脛骨前肌施加可控的壓縮力，作為一種非侵入性治療工具，可透過軟介面將壓縮載荷傳遞給脛骨前肌，將預定的力度精確應用於肌肉組織。
圖片來源：Science Translational Medicine
反覆按壓可改善嚴重損傷骨骼肌的功能恢復
隨後，他們在嚴重脛骨前肌損傷的小鼠模型中探討了機械療法的作用。從損傷後第 1 天開始，分別施加三種不同的力（0.15、0.3 或 0.6N），持續刺激 14 天，而對照組小鼠保持未治療狀態。隨後發現，應用三種不同的力均可顯著減少脛骨前肌中的間質纖維化和受損肌纖維，此外，在施壓處理肌肉中的肌纖維更長。
圖片來源：Science Translational Medicine
接下來，為了評估按壓介導的損傷肌肉組織學特徵的改善是否與肌肉力量恢復相關，他們檢測了脛骨前肌肌肉的力量。
結果發現，在所有三種力條件下，經按壓治療的脛骨前肌肌肉表現出比未經治療的對照組更高的力量，而三個不同力道治療組之間沒有顯著差異。這些發現表明，特定範圍的力量能夠促進嚴重受損肌肉的功能恢復。
圖片來源：Science Translational Medicine
機械按壓可迅速減少與中性粒細胞轉運相關的促炎因子
為了探討按摩處理是否會改變治療組織中的區域性免疫反應，他們對接受按壓治療的脛骨前肌肌肉中廣泛的炎症因子（細胞因子和趨化因子）的數量進行了量化。結果發現，在治療第 7 天和第 14 天，治療組和對照組小鼠肢體中的大多數炎症因子數量相似。
但是在第 3 天時，與未治療對照組相比，治療組中超過一半的細胞因子都出現了減少。進一步的基因富集分析顯示，這些顯著減少的細胞因子與炎症反應和粒細胞遷移，特別是中性粒細胞趨化和遷移有關。
同時，與對照組肌肉相比，按壓處理的肌肉在第 3 天時中性粒細胞顯著減少，在空間上，中性粒細胞及其過氧化物酶在對照肌肉的廣泛區域中明視訊記憶體在，而它們僅存在於按壓處理肌肉的部分割槽域。這一發現與細胞因子定量分析的結果一致，均表明刺激中性粒細胞趨化和遷移的細胞因子數量減少是按壓處理肌肉內中性粒細胞數量迅速減少的原因。
圖片來源：Science Translational Medicine
機械按壓可促進肌生成和成熟肌纖維型別成分的恢復
接下來，他們評估了機械按壓對早期肌源性特徵的影響。結果發現，與未治療組相比，在按壓處理的組織中發現肌生成調節因子 MyoD 的表達和延長的肌間線蛋白的細胞數量的顯著增加。
隨後，他們還探索了損傷急性期的機械按壓治療是否足以實現完全功能恢復。他們在前 7 天進行治療，但在隨後的 7 天內停止按摩，與對照組和使用 ML 治療 14 天的實驗組之間的資料表明，早期的 ML 是必要的，但不足以完全恢復肌肉功能。
他們還根據解剖結構和功能，對每個肌肉組織包含的不同肌纖維型別組成進行了分析。結果發現，在健康的脛骨前肌肌肉中，IIB 型纖維是最豐富的纖維型別，佔總肌肉纖維的 50% 或更多，受傷的脛骨前肌肌纖維的組成中 IIB 型纖維也是最豐富的纖維型別。
圖片來源：Science Translational Medicine
不過，與按摩處理和健康脛骨前肌肌肉相比，受傷後未處理的脛骨前肌肌肉中含有較少數量的 IIX 型纖維，而 IIA 型纖維數量則出現了增加，按摩處理的小鼠肌肉中 I 型纖維有少量增加，IIX 型纖維含量越高，IIA 纖維的比例越小，說明按摩處理後肌肉的纖維尺寸越大，肌肉力量越大。
圖片來源：Science Translational Medicine
肌肉損傷後中性粒細胞的短暫消耗可改善骨骼肌修復
最後，為了直接探索中性粒細胞在肌肉再生中的作用，研究人員在小鼠缺血損傷後的前 3 天內，使用 Ly6g 抗體將其中性粒細胞耗盡，以模擬在這段時間內用按摩治療小鼠中觀察到的中性粒細胞清除。結果表明，與使用相應對照抗體治療組相比，使用 Ly6g 抗體治療的小鼠顯示出顯著減少的肌肉損傷和纖維化。
對肌纖維大小的分析表明，肌肉按壓治療和中性粒細胞的缺失都使得肌肉纖維更長。此外，經抗 Ly6g 抗體去除中性粒細胞的受傷肌肉顯示出更大的收縮力，其對功能恢復的影響與肌肉按壓治療的影響相似。
上述這些發現表明，在這種損傷模型中，損傷肌肉中中性粒細胞丰度的時間控制與按壓治療對肌肉再生的影響相關。
圖片來源：Science Translational Medicine
結語
綜上所述，該團隊藉助一個機器系統，透過施加不同肌肉按壓治療，以確定用於小鼠肌肉再生的治療力量範圍和相應的組織應答，表明了按壓治療對於嚴重損傷肌肉組織的恢復是有益的，而其細胞分子機制是依賴於中性粒細胞的減少。
同時，這項研究還將按壓治療介導的肌肉再生與特定的免疫調節特徵聯絡起來，建立了目前機械療法和免疫療法這兩個不同領域的交叉融合。
End
參考資料：
[1]Bo Ri Seo et al. Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils. Science Translational Medicine (2021).
[2]J. G. Tidball, Regulation of muscle growth and regeneration by the immune system. Nat. Rev. Immunol. 17, 165–178 (2017).
[3]C. F. Guimarães, L. Gasperini, A. P. Marques, R. L. Reis, The stiffness of living tissues and its implications for tissue engineering. Nat. Rev. Mater. 5, 351–370 (2020).
