20 dni później - krótka opowieść o regeneracji mięśni

Mięśnie szkieletowe wykonują każdego dnia setki tysięcy ruchów, dzięki którym ciało jest stabilizowane w różnych pozycjach. Pomimo wytrzymałości na długotrwałe obciążenie mięśnie mogą doznać lekkich kontuzji spowodowanych nagłym, niespodziewanym wysiłkiem fizycznym tj. nadmiernym rozciągnięciem. Drobne uszkodzenia np. przeciążeniowe można szybko wyleczyć; jednak w przypadku poważnego uszkodzenia lub usunięcia dużej części tkanki mięśniowej jej całkowita regeneracja może być niemożliwa. I choć w medycynie regeneracyjnej poczyniono ogromny postęp, to całkowita odbudowa trwale uszkodzonych mięśni nadal pozostaje wyzwaniem. Na szczęście najnowsze badania w dziedzinie inżynierii materiałowej stawiają czoła temu wyzwaniu i niosą nadzieję w postaci innowacyjnych, biokombatybilnych materiałów ułatwiających odbudowę poważnie uszkodzonej tkanki mięśniowej. Niedawno międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez dr Marco Costantiniego z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) oraz dra Cesare’a Gargioli z Uniwersytetu Tor Vergata w Rzymie przedstawił żelowy kompozyt będący substytutem miofibryli będących podstawowym włóknem budującym mięsień, odbudowujący znacznie uszkodzone mięśnie szkieletowe z niespotykaną dotąd skutecznością.

Mięśnie, włókna mięśniowe i miogeneza

Mięśnie stanowią największą tkankę w naszym ciele. Są niezbędne do wykonania jakiegokolwiek ruchu, a bez nich nie bylibyśmy w stanie wykonać nawet najprostszych czynności tj. wstać, chodzić czy chwycić coś dłonią. Każdego dnia nasz układ mięśniowy wykonuje nieprawdopodobną ilość ruchów, a każdy z nich wymaga zaangażowania milionów włókien tkanki mięśniowej począwszy od kurczenia się, skracania, powrotu do pierwotnego kształtu czy to przez rozluźnienie lub bierne wydłużanie podczas kurczenia się innych mięśni.

W ciele znajduje się wiele rodzajów mięśni, i można je klasyfikować na kilka sposobów, jednak, główny podział dzieli je na takie mięśnie, które są automatycznie kontrolowane przez mózg, np. mięśnie kurczące się podczas bicia serca oraz te, na które mamy wpływ podczas poruszania się. Niektóre z nich są krótkie np. mięśnie uszne, podczas gdy inne są długie, jak mięsień łączący się z kolanem i kostką, a nawet palcami u nóg za pomocą długich ścięgien. Każdy z nich jest niezwykle odporny na rozciąganie i nacisk, lecz jak to w naturze bywa każdy mięsień ma swoje ograniczenia i wytrzymałość, a więc podobnie do innych tkanek w ciele, może zostać uszkodzony. Nagłe szarpnięcie lub skręcenie, czyli to co sportowcy zazwyczaj określają mianem „kontuzji”, może je nadwyrężyć prowadząc do krótkotrwałego dyskomfortu. Z kolei w skrajnych przypadkach niektórych chorób, takich jak nowotwory, dystrofia mięśni lub uszkodzenia mechanicznego np. w wyniku wypadku lub operacji, całkowity powrót mięśnia do stanu pierwotnego może być niemożliwy. Pomimo imponującej zdolności naszego organizmu do codziennej regeneracji, w niektórych przypadkach mięśnie szkieletowe nie mogą zostać w pełni obudowane.

Tuż po uszkodzeniu pojawia się zapalenie i obrzęk, a wraz z nimi organizm zaczyna produkować maleńkie włókna będące prekursorami mięśnia. Powstają on w procesie miogenezy, a ich rolą jest stworzenie nowej, odbudowanej, w pełni sprawnej tkanki mięśniowej. Przy niewielkich uszkodzeniach, mięsień może całkowicie wyzdrowieć, lecz gdy uszkodzenie jest znaczące, naprawa dużych ubytków masy mięśniowej bywa niemożliwa a szkody są nieodwracalne. To sprawia, że ​​odbudowa i poprawa funkcjonalności mięśni jest jednym z największych wyzwań biomedycznych naszych czasów.

Jest nadzieja

Niedawno Marco Costantini z IChF PAN wraz z międzynarodowym zespołem naukowców zaprezentował rozwiązanie wytwarzania substytutu mięśnia na bazie biokompatybilnego żelu przypominający strukturą makaron typu spaghetti. Żel ten produkowany jest z polimerów naturalnych innowacyjną metodą biodruku 3D za pomocą urządzenia mikroprzepływowego umożliwiając wydruk obiektu o dowolnym rozmiarze. Co najważniejsze, żel zawiera komórki mięśniowe, będące prekursowami włókien mięśniowych, które stopniowo narastają w polimerowej matrycy. Wszczepienie do uszkodzonego mięśnia takiego żelu biomimetycznego z komórkami umożliwia  regenerację uszkodzonych tkanek.

Dr Marco Costantini zauważa: „Nasz system biodruku został zaprojektowany tak, aby dokładnie naśladować wysoce anizotropową architekturę mięśni szkieletowych, co skutkuje skutecznym wytworzeniem prekursorów mięśni w dowolnej formie”.

Wydrukowany żel wraz z komórkami poddawany jest hodowli in vitro przez tydzień w celu stymulacji wzrostu komórek, a następnie wszczepia się go do uszkodzonych tkanek pacjenta. Naukowcy przedstawili skuteczną regenerację mięśni u myszy, u której uraz był na tyle duży, że pełne wyleczenie skutkujące przywróceniem pierwotnych funkcji mięśnia nie byłoby możliwe nawet po kilku miesiącach. Na dodatek, częściowa regeneracja trwałaby pięć razy dłużej, osiągając nie więcej niż 20% regeneracji. Zaprezentowany przez badaczy biodrukowany żel zawierający komórki mięśniowe umożliwił przywrócenie o 90% rzeczywistych funkcji. Ponadto, mięśnie zostały odbudowane w zaledwie 20 dni, sprawiając, że zaprezentowany żel jest obiecującym materiałem do zastosowań biomedycznych wspomagających regenerację tkanek.

„Przywrócenie masy i funkcjonalności o 90% usuniętego mięśnia w zaledwie 20 dni to absolutny rekord, który motywuje nas do dalszego zgłębiania tego podejścia w najbliższej przyszłości. Teraz musimy rozszerzyć naszą platformę na wytwarzanie żelu na większą skalę, aby wspierać regenerację mięśni u dużych zwierząt. Mamy nadzieję, że ta technologia niebawem będzie gotowa do zastosowania klinicznego u ludzi ”. - twierdzi dr Marco Costantini.

Technologia zaprezentowana przez naukowców z IChF PAN umożliwia biodrukowanie materiałów wspomagających medycynę regeneracyjną z niezwykłą skutecznością oraz szybkim czasem odbudowy mięśni. Wyniki badań naukowców zostały opublikowane 15 lutego w prestiżowym czasopiśmie EMBO Molecular Medicine otwierając nowe horyzonty w regeneracji tkanek, których dotychczas nie dało się odbudować po urazie.

Badania zostały dofinansowane z Narodowego Centrum Nauki (NCN) w konkursie SONATA 14, Projekt nr 2018/31/D/ST8/03647.

PUBLIKACJE NAUKOWE:
“Biofabricating murine and human myo‐substitutes for rapid volumetric muscle loss restoration”
Marco Costantini, Stefano Testa, Ersilia Fornetti, Claudia Fuoco, Carles Sanchez Riera, Minghao Nie, Sergio Bernardini, Alberto Rainer,  Jacopo Baldi, Carmine Zoccali, Roberto Biagini, Luisa Castagnoli, Libero Vitiello, Bert Blaauw, Dror Seliktar, Wojciech Święszkowski 
Piotr Garstecki , Shoji Takeuchi, Gianni Cesareni, Stefano Cannata Cesare Gargioli
EMBO Molecular Medicine  21, e12778 (2021)
DOI: 10.15252/emmm.202012778